DE69830958T2

DE69830958T2 - System und Verfahren zum Bremsen eines Stellantriebes mit einem bürstenlosen Motor

Info

Publication number: DE69830958T2
Application number: DE69830958T
Authority: DE
Inventors: Michael L. Hill
Original assignee: BARBER COLMAN LOVES PARK; Barber Colman Co
Current assignee: Invensys Building Systems Inc
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: EP0899863B1; US5838124A; EP0899863A2; EP0899863A3; DE69830958D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Motorsteuerungstechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zur Steuerung bürstenloser Gleichstrommotoren.
STAND DER TECHNIK
Bürstenlose Gleichstrommotoren stellen eine attraktive Motorentechnologie für viele Anwendungen, wie beispielsweise Stellglieder, dar. Vorteilhafter Weise weisen Sie hohe Betriebseffizienzen und hohe Leistungsdichten auf. Jedoch ist die Steuerung dieser bürstenlosen Gleichstrommotoren verhältnismäßig komplex und erfordert dedizierte Steuergeräte und mehrere Hochleistungshalbleitertreiber.
Ein Gesichtspunkt der Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors besteht in der Regelung des Abtriebsdrehmoments. Dies wird herkömmlicherweise unter Verwendung der Erfassung des Motorstroms durchgeführt. Um dieses Verfahren zusammenzufassen, werden ein oder mehrere stromerfassende Widerstände mit einer oder mehreren Motorwicklungen in Reihe geschaltet. Der Spannungsabfall an dem stromerfassenden Widerstand oder den stromerfassenden Widerständen wird gemessen und zeigt das Motordrehmoment an. Unvorteilhafterweise erhöht die Verwendung von stromerfassenden Widerständen die Kosten hinsichtlich der Anzahl der Teile, des erforderlichen Raums, der Kühlungsanforderungen und der Energieeffizienz.
Eine weitere Komplikation der Verwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren betrifft deren Start und Stopp, insbesondere, wenn sie unter Last stehen. Ein bisher verwendetes Motorstoppverfahren umfasste die Aufrechterhaltung einer hohen Leistung in einer bestimmten Wicklungskombination, um den Motor in der Position zu "verriegeln". Jedoch verbraucht dies große Mengen Strom, erzeugt übermäßig viel Wärme und ist oft uneffektiv, wenn Schlupf auftritt.
Der Artikel mit dem Titel „Microcomputer Control of an Electronically Commutated DC Motor", veröffentlicht in IEEE 1986 „National Aerospace and Electronics Conference", Band 1, 19.–23. Mai 1986, Seite 320 bis 325, beschreibt ein Verfahren zum Bremsen eines bürstenlosen Gleichstrommotors, indem die Phasen des Motors mit Hilfe von Bremswiderständen kurzgeschlossen werden. Die Dissipation der gespeicherten Motorenergie in den Bremswiderständen bringt den Motor zum Anhalten.
U.S.-Patent Nr. 4,549,120 beschreibt ein Verfahren zum Anhalten eines bürstenlosen Wechselstrommotors, das Folgendes umfasst: Erfassung eines Rotationstoppsignals, Antreiben des Motors in eine Richtung entgegengesetzt zur anfänglichen Rotation auf der Basis der Erfassung des Rotationsstoppsignals, Erfassen einer Umkehrung der Richtung des Motors, Antreiben des Motors in der Richtung der anfänglichen Rotation für eine vorherbestimmte Zeit auf der Basis der Erfassung der Umkehrung der Richtung, Beenden des Antriebssignals und den Motor auf natürliche Weise zum Stillstand kommen lassen.
Das japanische Patent Nr. 08-019286 beschreibt ein Verfahren zur Hemmung eines Freilaufzustandes eines Motors, bei dem ein Motor auf der Basis der Erfassung, dass die Spannung einer Stromquelle für den Motor null ist, verzögert wird.
Die oben beschriebenen Probleme werden vervielfältigt, wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor in einer anderen Vorrichtung enthalten ist, wie beispielsweise einem Stellglied. Statische und dynamische Lasten, die aus der Stellgliedanwendung resultieren, werden auf den Motor ausgeübt, wodurch die Steuerung desselben weiter verkompliziert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft Lösungen für die oben identifizierten Probleme.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren, wie in Anspruch 1 spezifiziert, und eine Vorrichtung, wie in Anspruch 20 spezifiziert, geschaffen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Verwendung bei der Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Der Motor wird von mehreren Treibern gespeist, wobei die Treiber dem Motor basierend auf einem Motorwicklungskommutierungsmuster und einem PWM-Steuersignal, das damit verwendet wird, Energie zuführen. Dadurch wird die Drehzahl des Motors gesteuert.
Insbesondere umfasst das Verfahren die Ermittlung der Drehzahl des Motors und einer Leitungsspannung, die die Treiber des Motors versorgt. Daraufhin wird basierend auf der Drehzahl, der Leitungsspannung und vorherbestimmten Motorleistungsdaten eine Höchst-PWM-Einschaltzeit für das PWM-Steuersignal ermittelt. Die Höchst-PWM-Einschaltzeit entspricht einer vorherbestimmten Motordrehmomentausgabe. Die Motorleistungsdaten können konstante Drehmomentkurven für Kombinationen aus Leitungsspannung, Motordrehzahl und PWM-Einschaltzeit umfassen.
Als Verbesserung kann der Motor mindestens einen Positionssensor umfassen, der für die Ermittlung der Zeit zwischen Positionsänderungen verwendet wird. Die Positionsinformationen können gesammelt werden, um die Ermittlung der absoluten Motorposition in Form von mindestens einer Anzahl von Motorumdrehungen zu ermöglichen.
Als weitere Verbesserung kann der Motor in einem Stellglied enthalten sein und über ein Reduktionsgetriebe mit einem Ausgabeelement desselben gekoppelt sein. Bei dieser Konfiguration kann das Verfahren die Verfolgung einer Position des Ausgabeelements des Stellglieds unter Verwendung der ermittelten absoluten Mo torposition umfassen. Das Verfahren kann ebenfalls die Steuerung der Drehung des Motors umfassen, um das Ausgabeelement des Stellglieds selektiv zu positionieren. Während der Positionierung des Stellglieds wird die Drehzahl des Motors unter Verwendung des PWM-Steuersignals geregelt. Insbesondere kann das PWM-Steuersignal auf die Höchst-PWM-Einschaltzeit beschränkt sein, um die Motordrehmomentausgabe auf die vorherbestimmte Motordrehmomentausgabe zu beschränken.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Stellglieds, das einen Ausgang und einen bürstenlosen Gleichstrommotor umfasst, der mechanisch damit gekoppelt ist. Der bürstenlose Gleichstrommotor wird mindestens teilweise von einem PWM-Steuersignal gesteuert, das eine Energiemenge steuern kann, die zum Motor übertragen wird.
Insbesondere umfasst das Verfahren die Positionierung des Stellglieds durch Betreiben des Motors. Während der Positionierung wird das Abtriebsdrehmoment des Motors gesteuert (die Steuerung umfasst das Sammeln der Motorbetriebsdaten, die den Stromverbrauch des Motors ausschließen). Diese Daten werden in Kombination mit den vorherbestimmten Motorleistungsdaten verwendet, um das Motordrehmoment unter Verwendung des PWM-Steuersignals zu regeln.
Bei einem ersten Gesichtspunkt umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anhalten der Drehung eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Das Verfahren umfasst das Betreiben des Motors als belasteter Generator. Während dieses Betriebs als belasteter Generator wird ein Bewegungsprofil des Motors überwacht.
Wenn das Bewegungsprofil des Motors daraufhin eine vorherbestimmte Kennlinie erreicht, wird ein aktiver Verzögerungsmodus angelegt. Dieser Modus arbeitet, indem er den Motor in eine Richtung entgegengesetzt zu seiner Drehung antreibt. Wenn eine Umkehrung der Motordrehung stattfindet, wird ein Haltemodus angelegt, um die Motorposition statisch zu halten.
Als Verbesserung des oben Genannten kann der Motor eine Vielzahl von Wicklungen umfassen und das Betreiben des Motors als belasteter Generator kann das Erden von mindestens einer der Wicklungen umfassen.
Ebenfalls kann die Überwachung des Bewegungsprofils des Motors mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: Drehzahl, Verzögerungsprofil und Anzahl der Umdrehungen des Motors.
Als weitere Verbesserung, bei der der Motor mehrere Wicklungen umfasst, kann der aktive Verzögerungsmodus das Überwachen einer Drehposition des Motors und einer Drehrichtung des Motors umfassen. Als Reaktion auf die überwachte Position und Richtung wird ein Muster von Wicklungen angelegt, das bezüglich der Drehung hinter einer aktuellen Motorposition liegt. Dies stellt Energie bereit, um den Motor zu verzögern. Dieses Muster kann aktualisiert werden, während sich der Motor weiterhin dreht. Des Weiteren umfasst der Haltemodus das Anlegen eines Musters auf den Wicklungen, um dem Motor festzuhalten.
Bei noch einer anderen Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Festhalten eines bürstenlosen Gleichstrommotors, während die Energiemenge, die an die Wicklungen angelegt wird, minimiert wird. Das Verfahren umfasst die Einstellung einer Einschaltzeit des PWM-Steuersignals auf einen ersten vorherbestimmten Wert. Ein Motorwicklungskommutierungsmuster wird an den Motor angelegt, um den Motor in seiner gegenwärtigen Position zu halten. Die Einschaltzeit des PWM-Steuersignals wird daraufhin verringert und es wird eine Prüfung auf Motorschlupf durchgeführt. Wenn Motorschlupf auftritt, wird die Einschaltzeit des PWM-Steuersignals erhöht, bis der Schlupf aufhört.
Als Verbesserung kann der erste vorherbestimmte Wert eine PWM-Einschaltzeit umfassen, die zuvor zum Stoppen der Drehung des Motors verwendet wurde. Wenn Schlupf auftritt, wird das Motorkommutierungsmuster des Weiteren aktualisiert, um einer gegenwärtigen durchgerutschten Motorposition zu entsprechen.
Als weitere Verbesserungen kann der Motor in einem Stellglied enthalten sein, wo er ein Ausgabeelement desselben mechanisch antreibt. Das Verfahren umfasst dadurch das Halten des Ausgabeelements des Stellglieds in einer bestimmten Position. Das Verfahren kann ebenfalls die Ausführung einer Positionssteuerungsrückführschleife umfassen, um den Motor selektiv zu betreiben, um das Ausgabeelement des Stellglieds in einer ausgewählten Position anzuordnen und es in der ausgewählten Position zu halten. Die Positionssteuerungsrückführschleife kann um ihren eingestellten Positionspunkt herum Hysterese umfassen. Somit wird eine Neupositionierung des Motors nur ausgeführt, wenn der Schlupf des Motors einen vorherbestimmten Wert überschreitet.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die vorliegende Empfindung ein Verfahren für den Betrieb eines Stellglieds, das ein Ausgabeelement und einen mechanisch daran gekoppelten bürstenlosen Gleichstrommotor umfasst. Das Ausgabeelement weist einen Federrückhohlmechanismus auf, der damit gekoppelt ist und eine Vorspannung in Richtung einer Ausgangsposition bereitstellt. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Stromausfalls des Stroms, der dem Stellglied zugeführt wird. Bei Stromausfall wird der bürstenlose Gleichstrommotor so angetrieben, dass er das Ausgangselement des Stellglieds in Richtung der Ausgangsposition bewegt. Dadurch wird statische Reibung überwunden, die den Federrückhohlmechanismus daran hindern kann, zu arbeiten. Des Weiteren kann eine Prüfung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich das Stellglied nicht bereits in der Ausgangsposition befindet, bevor die Bewegung dahin beginnt.
Das Stellglied kann eine Stromversorgung umfassen und als Verbesserung kann der Antrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors Restenergie verwenden, die in der Stromversorgung gespeichert ist. Des Weiteren kann die Erfassung des Stromausfalls die Überwachung einer Stromversorgungsspannung innerhalb des Stellglieds und die Erfassung eines Stromausfalls, wenn die Stromversorgungsspannung unter einen vorbestimmten Pegel abfällt, umfassen. Die überwachte Stromversorgung kann eine Stromversorgungsspannung für Treiber des bürstenlosen Gleichstrommotors umfassen.
Bei einem zweiten Gesichtspunkt umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die dem oben beschriebenen Verfahren entspricht.
Die vorliegende Erfindung weist mehrere Vorteile und Merkmale, die damit verbunden sind, auf. Die Drehmomentsteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird ohne die Verwendung von Stromerfassungsverfahren durchgeführt. Dadurch wird beispielsweise die Eliminierung von Erfassungswiderständen, die Energie verbrauchen, Raum benötigen und Wärme dissipieren, ermöglicht. Des Weiteren wird das Anhalten und Festhalten des Stellglieds in einer Weise durchgeführt, die die erforderliche Energiemenge minimiert. Des Weiteren werden Probleme im Zusammenhang mit der Motorverzahung und anderer statischer Reibung, die den Federrückhohlmechanismus beeinträchtigt, gemildert. Somit stellen die hierin offenbarten Verfahren einen Fortschritt in der Technik der Stellglied- und Motorsteuerung dar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Jedoch ist die Erfindung sowohl hinsichtlich der Organisation als auch des Durchführungsverfahrens zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen derselben am Besten unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm der Elektronik des Stellglieds aus 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 bis 4 beispielhafte Kurven von Motorleistungsdaten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
5 ein Ablaufplan eines Stellgliedbetriebs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein Ablaufplan eines Verfahrens für die Stellgliedreaktion auf Positionsbefehle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Kommutieren eines bürstenlosen Gleichstrommotors als Reaktion auf eine Änderung des eingestellten Punkts einer Stellgliedposition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 ein Ablaufplan eines Drehmomentsteuerungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Anhalten einer Stellglied- bzw. Motorbewegung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Halten eines bürstenlosen Gleichstrommotors bzw. Stellglieds in einer statischen Position gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
11 ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Reaktion auf eine Stromverlustbedingung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Zunächst ist in 1 ein Blockdiagramm eines Stellglieds 10 dargestellt. Im Allgemeinen kann das Stellglied 10 zur Positionierung einer großen Vielzahl von Mechanismen, die daran befestigt sind, verwendet werden. In einem Beispiel kann das Stellglied an einer Ventilationsschlitzbaugruppe befestigt sein. In einem anderen Beispiel kann das Stellglied an einem Ventil befestigt sein. Insbesondere weist das Stellglied, das hierin beschrieben ist, beispielsweise ein Rotationausgangselement (z.B. eine Welle) auf. Jedoch kann dieses Ausgangselement mechanisch übertragen werden, um andere Ausgangselemente, wie beispielsweise ein lineares Ausgangselement, bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform aus 1 umfasst das Stellglied 10 eine Steuerelektronik 11, die Strom empfängt, sowie Steuereingänge. Die Steuerelektronik 11 ist mit einem Motor 13 gekoppelt, um den Motor sowohl zu speisen als auch von diesem ein Positionsrückführungssignal 14 zu empfangen. Der Motor 13 ist mit einer Abtriebswelle 19 benachbart zum Getriebe 15 mechanisch gekoppelt. Das Getriebe 15 weist einen Federrückhohlmechanismus 17 auf, der mit demselben so gekoppelt ist, dass die Abtriebswelle 19 bei einer Unterbrechung der Motorspeisung in Richtung einer Ausgangsposition vorgespannt wird.
Bei der gegenwärtigen Ausführungsform ist das Getriebe 15 ein Reduktionsgetriebe mit einem großen (z.B. 14.000 : 1) Untersetzungsverhältnis. Dadurch wird eine Anwendung ermöglicht, die ein relativ hohes Abtriebsdrehmoment bei einer relativ niedrigen Drehzahl erfordert. Jedoch kann dieses Getriebe abhängig von den jeweiligen Anforderungen der Stellgliedanwendung modifiziert werden. Des Weiteren kann die Federrückholung 17 eliminiert werden, wenn ein mechanischer Ausgangsrückhohlmechanismus nicht gewünscht ist.
Unter Bezugnahme auf 2 sind die Gesichtspunkte der Elektronik 11 und des Motors 13 des Stellglieds 10 ausführlicher dargestellt. Ein Prozessor 21 stellt die Steuerung des Stellglieds 10 bereit. Der Prozessor 21 ist basierend auf den Anforderungen der Anwendung ausgewählt (z.B. Speicher, Stromverbrauch, Berechnungsleistung, E/A usw.) und in einer Ausführungsform wird ein 8-Bit-CMOS-Einzelchipmikrokontroller der Marke „Philips Semiconductors", Modell 83C749, verwendet.
Der Prozessor 21 ist über drei Halbbrückenstromschalter 43, 45 und 47 mit dem Motor 13 gekoppelt. Jeder Schalter ist ein Treiber für eine andere Wicklung (d.h.
Phase) des Motors 13, der ein bürstenloser Gleichstrommotor ist. Ausführungsformen mit einer anderen Anzahl als drei Wicklungen würden eine entsprechende Anzahl von Treibern aufweisen. Die obere Hälfte jedes Schalters wird von den Ausgängen A_T, B_T und C_T des Prozessors 21 angetrieben. Die untere Hälfte jedes Schalters wird von Signalen der Ausgänge A_B, B_B und C_B des Prozessors 21 angetrieben und mit Hilfe der Gatter 41, 39 und 37 (entweder diskrete Gatter oder in einer programmierbaren Logik oder in Software integriert) einer UND-Verarbeitung mit einer PWM-Ausgabe des Prozessors 21 unterzogen. Das PWM-Steuersignal wird zur Steuerung der Energiemenge verwendet, die zum Motor 13 übertragen wird, und wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
Die Baugruppe des Motors 13 umfasst die Positionssensoren 48A, 48B und 48C, die bei der vorliegenden Erfindung Hall-Effektsensoren sind. Diese Sensoren stellen dem Prozessor 21 ein Rückführungssignal bereit, so dass der Prozessor 21 die gegenwärtige Rotationsposition des Motors 13 (innerhalb der Grenzen der Sensorkonfiguration) ermitteln kann. Wie hinsichtlich bürstenloser Gleichstrommotoren bekannt ist, können diese Positionsinformationen im Allgemeinen dazu verwendet werden, beispielsweise Wicklungsanlegemuster zur Steuerung der Motordrehung zu ermitteln. Bei anderen Ausführungsformen können andere Positionssensoren verwendet werden und beispielsweise optische Sensoren und Rück-EMF-Erfassungsverfahren umfassen.
Strom wird für das Stellglied 10 mit Hilfe einer Stromversorgung 23 bereitgestellt, die einen Ausgang V_MOT zum Speisen der Motortreiber (43, 45 und 47) und einen Ausgang V_LOGIC zum Speisen der Elektronik einschließlich der digitalen Logik innerhalb des Stellglieds 10 aufweist.
Der Prozessor 21 weist mehrere Analogeingänge auf. Es wird angemerkt, dass die Analogeingänge bei der gegenwärtigen Ausführungsform einstückig mit dem Prozessor 21 gebildet sind und mit Hilfe eines herkömmlichen A/D-Wandlers multiplexiert werden; jedoch können gemäß den hierin beschriebenen Verfahren andere A/D-Topologien verwendet werden.
Ein erster Analogeingang A/D(1) liest die Spannung an einem Knoten innerhalb eines Spannungsteilers 25 ab, der zwischen der Motorversorgung V_MOT und einer gemeinsamen Leitung angeschlossen ist. Diese Eingabe wird verwendet, um V_MOT zur Verwendung mit den Motorsteuerungsverfahren, die weiter unten beschrieben werden, zu ermitteln. Ein zweiter Analogeingang A/D(2) ist mit einem "Drehzahlauswahlpotenziometer" 27 verbunden, das ein Benutzer einstellt, um die Drehzahl des Stellglieds zu steuern. Ein dritter Analogeingang A/D(3) ist mit einem „Hubauswahlprotenziometer" 29 verbunden, das ein Benutzer einstellt, um den Hub des Stellglieds zu steuern (z.B. den Grad der Drehung oder die Länge der Wegstrecke). Bei der gegenwärtigen Ausführungsform werden für die oben beschriebene Benutzereingabe Potenziometer verwendet; jedoch sind andere Formen der Benutzereingabe möglich, wie beispielsweise mit Hilfe einer Computerschnittstelle oder mit Hilfe einer E/A-Tastenfeld-Anzeige-Einrichtung. Falls eine Einstellung bei einer bestimmten Ausführungsform unnötig ist, könnten die Einstellungen des Weiteren zu Gunsten von vorprogrammierten Einstellungen eliminiert werden.
Ein vierter Analogeingang A/D(4) empfängt ein Steuersignal zur Proportionalsteuerung der Stellgliedposition. Eine Konditionierungselektronik 31 stellt die Einstellung der Spannung bzw. des Stroms des Steuersignals so ein, dass sie mit dem Eingang A/D(4) des Prozessors 21 kompatibel ist. Wenn der Steuereingang beispielsweise einen Bereich von 0 bis 10 V aufweist, kann die Elektronik 31 die Eingangsspannung um die Hälfte verringern, so dass sich ein Bereich von 0 bis 5 V ergibt. Des Weiteren stellt die Elektronik 31 eine Null- und Abstands-Einstellung für das Steuersignal bereit. Die Null- und Abstands-Einstellung könnte bei einer alternativen Ausführungsform digital ausgeführt werden.
Zwei digitale Eingänge, D(1) und D(2), sind mit dem Prozessor 21 verbunden und stellen alternativ zu den oben beschriebenen Proportionalsteuereingängen Stellgliedsteuersignale bereit. D(1) und D(2) wird jeweils ein „Offen-Signal" und ein „Geschlossen-Signal" bereitgestellt, das den Abtrieb des Stellglieds veranlasst, sich beim Anlegen entweder in eine offene oder eine geschlossene Richtung zu bewegen.
Der Prozessor 21 ist über die Kommunikationstreiber 33 (z.B. RS-232, 485 usw.) mit einer externen seriellen Schnittstelle verbunden. Diese serielle Schnittstelle weist viele Verwendungen auf, einschließlich der Computersteuerung bzw. – rückführung der Stellgliedposition und der Konfigurationsparameter, Tests und Diagnosen, Kalibrierung und Softwareaktualisierung.
Des Weiteren kann eine Vielzahl von Ausgängen zu den Schaltkreisen aus 2 hinzugefügt werden, um einen Hinweis auf die Position bereitzustellen. Beispielsweise kann ein digitaler Ausgang anzeigen, dass ein eingestellter Positionspunkt erreicht wurde. Des Weiteren kann ein Analogausgang hinzugefügt werden, um eine Spannungs- oder Stromausgabe bereitzustellen, die mit der Stellgliedposition innerhalb ihres Hubs in Beziehung steht.
Unter Bezugnahme auf 2 ist schließlich ein nicht flüchtiger Speicher 35 (z.B. EEPROM) mit dem Prozessor 21 verbunden und wird dazu verwendet, Konfigurationsinformationen für das Stellglied 10 zu speichern. Beispielsweise kann der nicht flüchtige Speicher 35 Motorkenndaten zur Verwendung, wie hierin beschrieben, enthalten. Wenn alternativ ein ausreichender Speicherplatz des geeigneten Typs in dem Prozessor 21 selbst besteht, könnte er anstelle einer externen Speichervorrichtung, wie beispielsweise eines nicht flüchtigen Speichers 35, verwendet werden. Das Modell und die Konfiguration des jeweiligen verwendeten Speichers variiert in Funktion zu den Anforderungen der Auslegung und Anwendung.
Während des Betriebs des Stellglieds ist die PWM-Einschaltzeit des Motorsteuersignals auf einen dynamisch berechneten Höchstwert begrenzt, so dass die Höchstdrehmomentausgabe des Stellglieds begrenzt ist. Verschiedene Faktoren beeinflussen die maximale PWM-Einschaltzeit, wie beispielsweise die Motortreiberversorgungsspannung, die Motordrehzahl und vorherbestimmte Motorleistungsdaten.
Bei einer Ausführungsform sind beispielhafte Kurven der Motorleistungsdaten in 3 bis 4 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 3 wird unter Verwendung eines Dynamometers für den Motor 13 eine konstante Drehmomentkurve 61 ermittelt. Das verwendete Drehmoment ist das Höchstdrehmoment des Stellglieds. Diese Kurvendaten sind im Zusammenhang mit einem normalisierten PWM-Wert bei der niedrigsten beabsichtigten Motortreiberversorgungsspannung (z.B. 22 Volt) gezeigt. Jedes gezeigte Segment entspricht etwa 7,5% einer Rotationsperiode (T) bei der Auslegungsbetriebsdrehzahl. Somit entspricht eine bestimmte Segmentanzahl n auf der Kurve einer Rotationsperiode von (1 + 0,075n)T, die ein Maß der Motordrehzahl ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Kurve eines normalisierten Kompensationsfaktors im Verhältnis zur Motorspannung gezeigt (Spur 63). Wenn die Motorspannung bei Betrieb zunimmt, wird dieser Kompensationswert zur Verringerung der PWM-Einschaltzeit verwendet, um den vorherbestimmten Drehmomentgrenzwert beizubehalten.
Zusammengefasst werden somit die Motordrehzahl und die Treiberspannung während des Motorbetriebs dynamisch überwacht. Wenn diese variieren, wird eine Höchst-PWM-Einschaltzeit entsprechend aktualisiert, die einem gewünschten Höchst-Ausgangsdrehmoment entspricht. Da das Drehmoment eines Gleichstrommotors zunimmt, wenn die Drehzahl abnimmt, wird die Höchst-PWM-Einschaltzeit beispielsweise verringert, wenn die Motordrehzahl abnimmt (wodurch die Drehmomentausgabe begrenzt wird). Da das Drehmoment mit der Motorspannung zunimmt, wenn die Treiberspannung zunimmt, wird die Höchst-PWM-Einschaltzeit des Weiteren verringert (wodurch die Drehmomentausgabe begrenzt wird). Die ermittelte Höchst-PWM-Einschaltzeit wird als Grenzwert für das tatsächliche PWM-Steuersignal verwendet, das an die Motortreiber angelegt wird (mit Hilfe des hierin beschriebenen Logikschaltkreises).
Das oben genannte Steuerschema wird kontinuierlich während des Betriebs des Stellglieds ausgeführt, so dass der Höchstdrehmomentgrenzwert rigoros erzwungen wird. Bei einer Ausführungsform ist dieses Drehmomentbegrenzungsverfahren im Zusammenhang mit einem „Überwachungszeitgeber" implementiert, der so eingestellt ist, dass er bei etwa dem Zweifachen der normalen Zeit zwischen Hall-Code-Änderungen bei der gewünschten Betriebsdrehzahl (z.B. 1 ms) abläuft. Ein Abwürgen wird erfasst, wenn der Motor bei dem vorherbestimmten Drehmomentgrenzwert arbeitet und die Motordrehzahl weniger als 1/4 der gewünschten Betriebsdrehzahl beträgt (und der Motor keine Drehung aus einem Stillstand beginnt).
Es sind viele verschiedene Implementierungen der oben genannten Verfahren möglich. Jedoch wird die Höchst-PWM-Einschaltzeit (d.h. ein PWM-Grenzwert) bei einer bevorzugten Ausführungsform dynamisch ermittelt als:
Höchst_pwm_einschaltzeit = (Modell_Faktor)(Drehzahl_Faktor)(Spannung_Faktor)
Modell_Faktor ist ein voreingestellter Wert, der die gewünschte Drehmomentausgabe für das spezifische Stellgliedmodell definiert. Er ist die PWM-Einschaltzeit, die der gewünschten Drehmomentausgabe bei der gewünschten Betriebsdrehzahl und der niedrigsten Betriebsspannung entspricht (z.B. ist eine Ausführungsform für 1500 U/min; 22 Volt minimum; 1,3 Unzen/Zoll Drehmoment ausgelegt).
Drehzahl_Faktor ist eine normalisierte Darstellung der PWM-Einschaltzeit, die erforderlich ist, um ein spezifisches (das gewünschte) Abtriebsdrehmoment bei einer spezifischen Drehzahl (d.h. einer spezifischen Zeit zwischen Hall-Änderungen) bei der niedrigsten Betriebsspannung zu erzeugen. Drehzahl (Periode) ist die unabhängige Variable (gemessen) und PWM-Einschaltzeit ist der errechnete Wert (abhängig). Drehzahl_Faktor ist bei der gewünschten Betriebsdrehzahl auf dem Maximum und nimmt ab, wenn die Drehzahl verringert wird (die Periode zunimmt). Drehzahl_Faktor wird aus den Motorleistungsdaten, wie beispielsweise denen aus 3, ermittelt.
Spannung Faktor ist eine normalisierte Darstellung der Betriebsspannung des Motors. Er weist einen Höchstwert (1) bei der niedrigsten spezifizierten Betriebsspan nung auf und nimmt ab, wenn die Betriebsspannung zunimmt. Spannung Faktor wird aus den Motorleistungsdaten, wie beispielsweise denen aus 4, ermittelt.
Bei der gegenwärtigen Ausführungsform ist die Messung der Motordrehzahl die Zeit zwischen Positionsänderungen des Motors (z.B. die Zeit zwischen Hall-Sensorzählungen). Es wird angemerkt, dass dieses Maß die Umkehrung beispielsweise einer Drehzahlmessung vom Typ U/min ist. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform basieren zugunsten der Berechnungseffizienz alle Berechnungen auf der Zeit zwischen Positionsänderungen. Jedoch sind die Verfahren für eine Vielzahl von Motordrehzahlmessungen verwendbar.
Im Folgenden werden Betriebssequenzen dargestellt. Zunächst unter Bezugnahme auf 5 ist eine Stellgliedsteuerungssequenz von hohem Niveau dargestellt. Zuerst wird eine Initialisierung durchgeführt (SCHRITT 101), die beispielsweise einen grundlegenden Prozessorurstart, Speicherintegritätsprüfungen und Softwareinitialisierung einschließlich beispielsweise Variablenzuordnung umfasst. Als nächstes wird die Ausgangsposition des Stellglieds ermittelt (SCHRITT 103). Dies wird durchgeführt, indem das Stellglied in Richtung der Ausgangsposition bewegt wird, bis der mechanische Anschlag des Systems erfasst wird. Der mechanische Anschlag wird erfasst, indem die Motordrehzahl bei dem Drehmomentgrenzwert überwacht wird (siehe beispielsweise 8 weiter unten). Wenn die Motorabwürggrenzwerte erreicht sind (d.h. der Drehmomentgrenzwert ist bei weniger als 1/4 der gewünschten Betriebsdrehzahl erreicht), wird angenommen, dass der mechanische Grenzwert des Stellglieds erreicht ist. Nachdem dieser Wegstreckengrenzwert erfasst ist, ist demgemäß die exakte Stellgliedposition unter Verwendung der bekannten Übersetzungsverhältnisse in Kombination mit der Überwachung der Motordrehung stets bekannt. Unter zusätzlichen Kosten könnten zusätzliche Sensoren hinzugefügt werden, um die Stellgliedposition zu erfassen (z.B. ein optischer Codierer oder ein Potenziometer).
Als nächster Schritt werden während des Stellgliedbetriebs mehrere Aufgaben aktiv gehalten. Zuerst wird eine Aufgabe ausgeführt, die auf Benutzeranfragen für Stell gliedbetriebe reagiert (SCHRITT 105). Zweitens wird eine Aufgabe ausgeführt, die den eingestellten Punkt (gewünschte Position) für das Stellglied aktiv aufrechterhält (SCHRITT 107). Drittens wird die Stromversorgung für das Stellglied überwacht, so dass bei einem Stromausfall eine entsprechende Maßnahme ergriffen werden kann (SCHRITT 109). Diese Aufgaben werden weiter unten ausführlicher beschrieben.
In 6 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens für die Stellgliedreaktion auf Benutzeranfragen dargestellt. Zunächst wird ein Benutzerbefehl empfangen (SCHRITT 121). Bei der gegenwärtigen Ausführungsform kann dieser Befehl durch die analoge Schnittstelle (das proportionale Positionssignal), die digitale Schnittstelle (das ÖFFNEN-und SCHLIESSEN-Signal) und die Computerschnittstelle (RS 232/485/422 usw.) ankommen. Abhängig von einem bestimmten Stellgliedbefehl kann eine von drei Prozeduren iniziiert werden (SCHRITT 125). Wenn ein Stellglied-Öffnen-Befehl empfangen wird, wird eine Prozedur aufgerufen, um das Stellglied in Richtung einer Offen-Position zu bewegen (SCHRITT 123). Wenn ein Stellglied-Schließen-Befehl empfangen wird, wird eine Prozedur aufgerufen, um das Stellglied in Richtung seiner Geschlossen-Position zu bewegen (SCHRITT 129). Wenn ein Befehl empfangen wird, der fordert, dass sich das Stellglied zu einer bestimmten Position bewegt (z.B. durch den proportionalen Analogeingang oder durch die Computerschnittstelle), wird eine Prozedur aufgerufen, um das Stellglied dorthin zu bewegen (SCHRITT 127).
Bei der gegenwärtigen Ausführungsform arbeitet die Prozedur, die zum Bewegen des Stellglieds zu einer Position verwendet wird, unter Verwendung einer gewünschten absoluten Motorposition. Die absolute Motorposition wird aus der vom Benutzer spezifizierten Stellgliedposition in Kombination mit den bekannten Übersetzungsverhältnissen zwischen dem Motor und der Stellgliedausgabe ermittelt. Die absolute Motorposition, wie sie hierin verwendet wird, ist als Rotationsposition des Motors hinsichtlich der Umdrehungen über eine komplette Stellgliedwegstrecke hinweg definiert. Somit reicht die absolute Motorposition bei der gegenwärtigen Ausführungsform, bei der das Stellglied eine maximale Ausgangsrotation von 180 Grad aufweist und das Übersetzungsverhältnis zum Motor 14.000 : 1 beträgt, von 0 bis 7000 Umdrehungen (Bruchwerte sind zulässig). Rotationsposition, wie hierin verwendet, bezeichnet die Rotationsposition des Motors innerhalb der Erfassungsgrenzwerte der Positionssensoren.
Der Betrieb der Prozedur, die zum Bewegen des Motors zu einer spezifischen absoluten Position verwendet wird, ist in 7 dargestellt. Unter Bezugnahme darauf wird zunächst eine Drehrichtung ermittelt, indem die gewünschte absolute Motorposition mit der gegenwärtigen absoluten Motorposition verglichen wird (SCHRITT 141). Als nächstes wird die gegenwärtige Rotationsposition des Motors von den Positionssensoren des Motors ermittelt (SCHRITT 143). Daraufhin wird basierend auf der gegenwärtigen Rotationsposition und der Drehrichtung ein geeignetes Wicklungsmuster ermittelt und an die Motortreiber angelegt (SCHRITT 145).
Wenn beispielsweise eine Drehung im Uhrzeigersinn gewünscht ist, wird das Motorwicklungsmuster, das eine Drehung im Uhrzeigersinn von der gegenwärtigen Rotationsposition des Motors auslöst, an die Motorwicklungen angelegt. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform wird die Wicklungsmusteraktualisierung als ein Implementierungsbeispiel alle 555 μs bei der Auslegungsbetriebsdrehzahl durchgeführt. Die Wicklungsmusteraktualisierung wird schnell genug durchgeführt, so dass sie die Motordrehzahl, die von der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals, die weiter unten im Zusammenhang mit 8 beschrieben wird, primär geregelt wird, nicht primär beherrscht.
Daraufhin wird ein Zähler, der zur Verfolgung der absoluten Motorposition verwendet wird, inkrementiert oder dekrementiert (abhängig von der Drehrichtung), um die absolute Motorposition beizubehalten (SCHRITT 147). Bei der gegenwärtigen Ausführungsform wird die absolute Motorposition in Einheiten von Hall-Zählungen, das heißt Hall-Code-Änderungen, aufrechterhalten. Wenn zwischen der Wiederholung der Hauptschleife aus 7 keine Hall-Code-Änderung auftrat, wird INK/DEK aus SCHRITT 147 nicht durchgeführt.
Als nächstes wird ein Test durchgeführt, um zu ermitteln, ob die gewünschte absolute Motorposition erreicht worden ist (SCHRITT 151). Wenn die gewünschte absolute Motorposition nicht erreicht worden ist, geht die Schleife wieder zu SCHRITT 143. Wenn die gewünschte absolute Motorposition erreicht worden ist, wird eine Prozedur ausgeführt, die den Motor stoppt und hält (SCHRITT 153). Der Motor wird ebenfalls gestoppt, wenn ein Bewegungsbefehl, beispielsweise von den digitalen ÖFFNEN- oder SCHLIESSEN-Eingängen des Stellglieds, ausgegeben wird. Wenn der Befehl ausgegeben wird, wird der gegenwärtige eingestellte Positionspunkt für das Stellglied aktualisiert, um die gegenwärtige Position wiederzuspiegeln.
Während des Betriebs des Stellglieds wird, wie oben beschrieben, eine Drehmomentbegrenzungsprozedur ausgeführt, um das Höchstdrehmoment des Stellglieds unterhalb eines vorherbestimmten Grenzwerts zu halten. Diese Steuerung wird als Teil der Motordrehzahlsteuerung gemäß dem Verfahren ausgeführt, das im Ablaufplan aus 8 dargestellt ist. Um daran zu erinnern, wird die gewünschte Motordrehzahl als Benutzereingabeparameter unter Verwendung beispielsweise der potenziometrischen oder Computerschnittstelleneingabe, die in 2 dargestellt ist, eingestellt.
Unter Bezugnahme auf 8 wird zunächst eine Motordrehzahlmessung genommen, z.B. wird die Zeit zwischen Hall-Zählungen ermittelt (SCHRITT 161). Die Motortreiberspannung wird ebenfalls ermittelt (SCHRITT 163). Unter Verwendung der Motordrehzahlmessung und der Motortreiberspannung wird aus den Motorleistungsdaten, beispielsweise aus 3 4 (SCHRITT 165) eine Höchst-PWM-Einschaltzeit ermittelt. Diese Höchst-PWM-Einschaltzeit stellt einen oberen Drehmomentgrenzwert für den Motor in seinem gegenwärtigen Betriebszustand ein.
Daraufhin wird eine gewünschte Drehzahl für den Motor mit der tatsächlichen Motordrehzahl verglichen (wiederum werden bei der gegenwärtigen Ausführungsform Drehzahlberechnungen in Bezug auf die Zeit zwischen Motorpositionsänderungen durchgeführt – SCHRITT 167). Wenn die tatsächliche Drehzahl geringer als die gewünschte Drehzahl ist, wird die PWM-Einschaltzeit erhöht (SCHRITT 173). Dies hat zur Folge, dass mehr Energie zu den Motorwicklungen übertragen wird, wodurch dessen Drehzahl erhöht wird. Die neue PWM-Einschaltzeit wird mit der Höchst-PWM-Einschaltzeit, die als Drehmomentgrenzwert verwendet wird, verglichen (SCHRITT 175), und wenn die PWM-Einschaltzeit den Höchstwert überschreitet, wird sie darauf begrenzt (SCHRITT 177). Das Verfahren wiederholt daraufhin zur Ablesung der Motordrehzahl bei SCHRITT 161.
Wenn bei dem Vergleich der tatsächlichen Drehzahl mit der gewünschten Drehzahl (SCHRITT 167, 169) die tatsächliche Drehzahl die gewünschte Drehzahl überschreitet, dann wird die PWM-Einschaltzeit verringert (SCHRITT 171). Das Verfahren fährt daraufhin mit der Ablesung der Motordrehzahl bei SCHRITT 161 fort. Somit wurde eine Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments durchgeführt.
Unter momentaner Bezugnahme zurück auf 7 werden, wenn die absolute Motorposition ihren gewünschten eingestellten Punkt erreicht hat und ein Anhalten bzw. Festhalten des Motors gewünscht wird (SCHRITT 153), die Verfahren, die in 9 dargestellt sind, instanziert. Die unten beschriebenen Verfahren stoppen den Motor bzw. das Stellglied und halten ihn bzw. es fest, während der Strombedarf dafür in vorteilhafter Weise minimiert wird.
Das Stoppen der Bewegung des Motors bzw. des Stellglieds beginnt mit dem Betrieb des Motors als belasteter Generator (SCHRITT 191). Dies wird durchgeführt, indem jede der Motorwicklungen durch ihre entsprechenden Treiber geerdet wird (indem die unteren Hälften der Halbbrückentreiber angelegt werden).
Der Bremsmodus des belasteten Generators wird beibehalten, während das Bewegungsprofil des Motors überwacht wird (z.B. Drehzahl, Verzögerung und/oder Umdrehungen) (SCHRITT 193). Dieser Bremsmodus wird weniger effektiv, wenn sich der Motor verlangsamt. Bei einer Ausführungsform wird die Bremsung des belaste ten Generators somit aufrechterhalten, bis die Motordrehzahl um 1/2 verringert ist oder 8 mechanische Umdrehungen stattfinden (je nachdem, was zuerst eintritt).
Der nachfolgende Bremsmodus ist ein aktiver Verzögerungsmodus, der eine Schleife umfasst, die mit einer Ermittlung der Drehrichtung beginnt (SCHRITT 195). Des Weiteren wird die gegenwärtige Motorposition ermittelt (SCHRITT 197). Als nächstes wird ein Test durchgeführt, um zu ermitteln, ob die Drehrichtung innerhalb der aktiven Verzögerungsschleife umgekehrt wurde (SCHRITT 197).
Wenn die Drehrichtung nicht umgekehrt wurde, wird die aktive Verzögerung aufrechterhalten, indem die Motorwicklungen in einem Muster angelegt werden, das zum Erreichen einer Umkehrung der Drehrichtung ausglegt ist (SCHRITT 201). Das spezifische Muster variiert mit den Motorparametern. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform werden die ermittelte Motorposition und die ermittelte Drehrichtung für die Ermittlung und das Anlegen (durch eine Nachschlagtabelle) eines Wicklungsmusters verwendet, das sich hinsichtlich der Drehung „hinter" der Motorposition befindet. Dieses angelegte Muster stellt in einer Richtung entgegengesetzt zur gegenwärtigen Motordrehung eine Kraft bereit. Schließlich verlansamt sich der Motor, stoppt und kehrt daraufhin seine Richtung um. Bis die Umkehrung der Richtung stattgefunden hat, wird die Schleife wiederholt (zu SCHRITT 195).
Eine Umkehrung der Richtung zeigt an, dass die Verzögerung beendet ist und der Motor daraufhin statisch gehalten werden muss, wie unten beschrieben. Da die aktive Verzögerungsschleife eine Zeitauflösung eines Bruchteils einer Motordrehung aufweist, hat die anfängliche Umkehrung der Richtung eine sehr kleine Drehkraft zur Folge, weshalb eine aktive Bremsung wiederum in der entgegengesetzten Richtung nicht erforderlich ist.
Zur Wiederholung, wenn die Drehung umgekehrt wurde (SCHRITT 197), beginnt ein Halteverfahren. Zuerst wird bei der gegebenen gegenwärtigen Motorposition ein Wicklungsmuster angelegt, um die natürliche Verzahnung des Motors um seine gegenwärtige Rotationsposition zu verbessern (SCHRITT 203). Für eine kurze Zeit (z. B. 1/2 Sekunde) wird auf eine Rotationsstabilität gewartet und das Wicklungsmuster wird aktualisiert, wenn ein gewisser Rotationsschlupf auftritt (SCHRITT 205). Demgemäß wird der Motor gestoppt und in Position gehalten. Als nächstes werden Verfahren durchgeführt, um die gehaltene Position des Motors aufrechtzuerhalten und die dafür erforderliche Energie zu minimieren (SCHRITT 207).
Während des oben erörterten aktiven Bremsverfahrens wird die PWM-Einschaltzeit erhöht, und ein Bremsen zu ermöglichen. Die PWM-Einschaltzeit beginnt bei einem vorherbestimmten Minimum und wird während des aktiven Bremsens erhöht, bis ein Grenzwert erreicht ist. Das vorherbestimmte Minimum, der vorherbestimmte Grenzwert, und die vorherbestimmte Erhöhungsrate variieren basierend auf den Anforderungen des Motors, des Stellglieds und der Anwendung; jedoch beträgt bei einer Ausführungsform das vorherbestimmte Minimum 5% von Modell Faktor, der Grenzwert beträgt 25% von Modell Faktor und die Erhöhungsrate beträgt 1 Zählung pro 1/4 mechanische Umdrehung. Jede Zählung entspricht 1/256 des PWM-Einschaltzeitbereichs (0 255) und entspricht somit einer Änderung von etwa 0,4%.
Unter Bezugnahme auf 10 beginnt das Motor- bzw. Stellgliedhalteverfahren mit der Aufrechterhaltung des gegenwärtig an die Motorwicklungen angelegten Haltemusters (SCHRITT 121). Gemäß den hierin offenbarten Verfahren wird jedoch die Energie, die an den Motor angelegt wird, um ihn festzuhalten, jetzt reduziert, bis ein Minimum der Halteenergie erreicht ist. Demgemäß wird in eine Schleife eingetreten, in der die PWM-Einschaltzeit, die für das Haltewicklungsmuster verwendet wird, (z. B. bei einer Rate von 1 Zählung pro 1/4 Sekunde) schrittweise abgestuft wird (SCHRITT 223), bis entweder Schlupf (SCHRITT 225) oder eine PWM-Einschaltzeit von null erreicht ist (SCHRITT 226).
Wenn Schlupf auftritt, wird das Haltemuster an den Motorwicklungen, falls erforderlich, aktualisiert, um den Motor in seiner gegenwärtigen (durchgerutschten) Position zu halten (SCHRITT 227). Daraufhin wird in eine Schleife eingetreten, in der die PWM-Einschaltzeit der Motorwicklungen aufgestuft wird (SCHRITT 229), bis die Drehung aufhört (SCHRITT 233). Während dieser Schleife wird das Wick lungsmuster wie erforderlich aktualisiert, um die Drehung in der gegenwärtigen Motorpositionen zu halten (SCHRITT 231). Nachdem die Drehung aufgehört hat, werden das gegenwärtige Wicklungsmuster und die PWM-Einschaltzeit aufrechterhalten und die Halteroutine wird beendet (SCHRITT 235). Wenn Schlupf auftritt und die PWM-Einschaltzeit bei ihrem oberen Grenzwert für aktives Bremsen ist, wird bei einer Ausführungsform wieder in die aktive Bremsschleife eingetreten.
Wiederum unter Bezugnahme auf 5 wird während des Betriebs des Stellglieds der eingestellte Positionspunkt desselben (d.h. entsprechend der absoluten Motorposition) auf Änderungen überwacht (SCHRITT 107). Falls eine Abweichung von dem eingestellten Punkt ein vorherbestimmtes Maß überschreitet, wird eine Neupositionierung des Stellglieds bei dem gewünschten eingestellten Punkt durchgeführt. In dieses Steuerschema können unterschiedliche Hysteresegrade integriert werden, um Benutzeranforderungen gerecht zu werden.
Des Weiteren wird die Stromversorgungsspannung unter Bezugnahme auf 5 überwacht, so dass deren Abfallen unter einen bestimmten Pegel erfasst wird, wodurch ein Stromausfall angezeigt wird (SCHRITT 109). Bei der gegenwärtigen Ausführungsform wird die Motorversorgungsspannung zu diesem Zweck überwacht und wird angemessenerweise ebenfalls für Motorsteuerungszwecke überwacht.
Bei einem Stromausfall werden bei Abwesenheit jeglicher eingreifender Verfahren die Motorwicklungen nicht gespeist und der Motor läuft frei unter der Last des Stellglieds. Diese Last kann beliebige Lasten an der Vorrichtung, die mechanisch mit dem Stellglied gekoppelt sind, sowie eine Last von dem optionalen Federrückhohlmechanismus in dem Stellglied umfassen. Die Federrückholung ist so ausgelegt, dass sie das Stellglied im Fall eines Stromausfalls zu einer Ausgangsposition zurückführt. Jedoch kann die natürliche Verzahnung des bürstenlosen Gleichstrommotors, der in Kombination mit hohen Übersetzungsverhältnissen verwendet wird, die Federrückholung daran hindern, korrekt zu arbeiten. Die Verzahnung des Motors kann eine ausreichende statische Reibung in dem Stellgliedsystem bereitstellen, um den Federrückhohlmechanismus daran zu hindern, zu arbeiten. Daher ist ein Verfahren zur Überwindung der statischen Reibung des Stellgliedsystems (einschließlich der, die aus der Motorverzahnung und anderen Quellen resultiert) bei einem Stromausfall in 11 dargestellt.
Zusammengefasst wird die verbleibende kapazitiv gespeicherte Energie in der Stellgliedstromversorgung bei einem Stromausfall verwendet, um die Stellgliedbewegung in die Ausgangsrichtung der Federrückholung einzuleiten. Dadurch wird die statische Reibung des Systems überwunden und nachdem der Strom vollständig dissipiert ist, fährt die Dynamik der Federrückholung mit der Stellgliedbewegung zur Ausgangsposition fort.
Insbesondere wird, nachdem ein Stromausfall erfasst wird, ein Test durchgeführt, um zu ermitteln, ob eine Rückführung des Stellglieds zur Ausgangsposition bei einem Stromausfall gewünscht ist (SCHRITT 251). Wenn eine Rückführung zur Ausgangsposition nicht gewünscht ist, stoppt die Routine (SCHRITT 253). Wenn beispielsweise kein Federrückhohlmechanismus verwendet wird, ist die Rückführung des Stellglieds zur Ausgangsposition bei einem Stromausfall nicht aktiv.
Wenn eine Rückführung des Stellglieds zur Ausgangsposition bei einem Stromausfall gewünscht ist, wird als nächstes ein Test durchgeführt, um zu erfassen, ob sich das Stellglied bereits in seiner Ausgangsposition befindet (SCHRITT 255). Falls ja, fährt die Routine nicht fort (SCHRITT 257). Wenn sich das Stellglied nicht in der Ausgangsposition befindet, wird eine Routine aufgerufen (z. B. 7), um das Stellglied zu seiner Ausgangspositionen zu bewegen (SCHRITT 259). Wenn die Bewegung beginnt, wird die statische Reibung der Motorverzahnung überwunden, und nachdem der Strom vollständig dissipiert ist, fährt die Dynamik der Federrückholung mit der Stellgliedbewegung zur Ausgangsposition fort.
Die vorliegende Erfindung weist mehrere damit verbundene Vorteile und Merkmale auf. Die Drehmomentsteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird ohne die Verwendung von Stromerfassungsverfahren durchgeführt. Dadurch wird beispielsweise die Eliminierung von Erfassungswiderständen ermöglicht, die Energie verbrauchen, Platz benötigen und Wärme dissipieren. Des Weiteren wird das Anhalten und Festhalten des Stellglieds in einer Weise durchgeführt, die die erforderliche Energiemenge minimiert. Darüberhinaus werden Probleme im Zusammenhang mit der Motorverzahnung und anderer statischer Reibung, die mit dem Federrückhohlmechanismus interferieren, gemildert. Somit stellen die hierin offenbarten Verfahren einen Fortschritt in der Technik der Stellglied- und Motorsteuerung bereit.
Während die Erfindung hierin gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen derselben ausführlich beschrieben wurde, können Fachleute viele Modifikationen und Änderungen daran vornehmen. Demgemäß ist es beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen und Änderungen abzudecken, die in den Bereich der Ansprüche fallen.
1

Power Strom
Control in Steuereingang
11 Elektronik
13 Motor
15 Getriebe
17 Federrückholung
19 Abtriebswelle

2

23 Stromversorgung
voltage compensation Spannungskompensation
speed select Drehzahlauswahl
stroke select Hubauswahl
open öffnen
close schließen
control input Steuereingang
or oder
control voltage Steuerspannung
31 Nulleinstellung, Abstandseinstellung Analogeingang
33 optionale Kommunikationstreiber RS 232, 485 usw.
35 EEPROM Modellkenndaten Benutzeranpassung
hall sensor inputs Hall-Sensoreingänge
43 Halbbrückenstromschalter
39 Halbbrückenstromschalter
37 Halbbrückenstromschalter

3

on time vs speed for constant output torque Einschaltzeit im Verhältnis zur Drehzahl für konstantes Abtriebsdrehmoment
normalized pwm output Normalisierte PWM-Ausgabe
rotational period (segment number) Rotationsperiode (Segmentnummer)

4

voltage compensation Spannungskompensation
normalized compensation factor Normalisierter Kompensationsfaktor
motor voltage Motorspannung

5

101 Initialisieren
103 Ausgangsposition suchen
105 Auf Benutzeranfragen reagieren
107 eingestellten Punkt überwachen bzw. aufrechterhalten
109 Spannung überwachen

6

121 Benutzerbefehl empfangen
125 Befehl ermitteln
open Öffnen
close Schließen
123 In Richtung offen bewegen
Position Position
127 Zur gewünschten Position bewegen
129 In Richtung geschlossen bewegen

7

141 Drehrichtung einstellen
143 Motorposition ablesen
145 Motorwicklungen basierend auf gegenwärtiger Position und Drehrichtung anlegen
147 Positionszähler abhängig von Drehrichtung und Hall-Code-Änderung inkrementieren bzw. dekrementieren
151 gewünschte Position erreicht oder Bewegungsbefehl erteilt?
Yes Ja
No Nein
153 Stellglied stoppen bzw. halten

8

161 Motordrehzahl ablesen
163 V_MOT ablesen
165 MAX_PWM_ON ermitteln
167 Drehzahl < gewünschte_Drehzahl
Yes Ja
No Nein
169 Drehzahl > gewünschte_Drehzahl
Yes Ja
No Nein
171
173 PWM_ON inkrementieren
175 PWM_ON > MAX_PWM_ON
Yes Ja
No Nein
177 PWM_ON = MAX_PWM_ON

9

191 Motor als belasteten Generator konfigurieren
193 Drehzahl- bzw. Verzögerungsprofil angemessen?
Yes Ja
No Nein
195 Drehrichtung ermitteln
197 Motorposition ermitteln
199 Wurde die Drehung umgekehrt?
Yes Ja
No Nein
201 Wicklungen zum Aktivieren der Drehungsumkehr anlegen
203 Wicklungen zum Verbessern der Verzahnung und der Halteposition anlegen
205 Auf Stabilität warten und ggf. verbesserte Verzahnungsposition aktualisieren
207 Stellglied festhalten

10

221 Haltemuster an Motorwicklungen einstellen
223 Einschaltzeit abstufen
226 PWM-Einschaltzeit null?
Yes Ja
No Nein
225 Drehung?
Yes Ja
No Nein
227 Ggf. Haltemuster aktualisieren
229 PWM-Einschaltzeit aufstufen
231 Ggf. Haltemuster aktualisieren
233 Drehung?
Yes Ja
No Nein
235 Ende

11

251 Rückführung des Stellglieds zur Ausgangsposition eingeschaltet?
Yes Ja
No Nein
253 Stopp
255 Stellglied in Ausgangsposition?
Yes Ja
No Nein
257 Stopp
259 Stellglied zur Ausgangsposition zurückführen

Claims

Verfahren zum Anhalten der Drehung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (13), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) das Betreiben des Motors (13) als belasteter Generator; (b) das Überwachen eines Bewegungsprofils des Motors (13) während des Betriebs (a); (c) das Aktivieren eines aktiven Verzögerungsmodus, wenn das Bewegungsprofil des Motors (13) eine vorherbestimmte Kennlinie erreicht, wobei der aktive Verzögerungsmodus den Betrieb des Motors (13) in einer Weise umfasst, dass der Motor aktiv verzögert wird, indem der Motor (13) in einer zur Drehung desselben entgegengesetzten Richtung angetrieben wird; und (d) Aktivieren eines Haltemodus bei Erfassung der Umkehrung der Richtung des Motors (13), um die Motorposition statisch zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und das Betreiben des Motors (13) als belasteter Generator das Erden von mindestens einer der Vielzahl von Wicklungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Betreiben des Motors (13) als belasteter Generator das Erden sämtlicher Wicklungen der Vielzahl von Wicklungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Bewegungsprofil des Motors (13) mindestens einen der folgenden Parameter umfasst: Drehzahl, Verzögerungsprofil und Anzahl der Umdrehungen des Motors (13).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei der vorherbestimmten Kennlinie mindestens eine der folgenden Zustände auftritt: Abfallen der Drehzahl des Motors (13) unter einen vorherbestimmten Drehzahlwert, Abfallen der Verzögerung des Motors (13) unter einen vorherbestimmten Verzögerungswert und Überschreiten eines vorherbestimmten Umdrehungswerts durch die Umdrehungszahl des Motors (13).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und der aktive Verzögerungsmodus Folgendes umfasst: das Überwachen einer Drehposition des Motors (13) und einer Drehrichtung des Motors (13), sowie als Reaktion darauf das Aktivieren eines Musters der Wicklungen und zwar bezüglich der Drehung hinter einer aktuellen Motorposition, wodurch Energie zum Verzögern des Motors (13) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das des Weiteren das Aktualisieren des aktivierten Musters der Windungen umfasst, wenn sich der Motor (13) weiterhin dreht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und das Aktivieren des Haltemodus das Aktivieren eines Musters der Vielzahl der Wicklungen umfasst, um den Motor (13) statisch zu halten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren des Weiteren das Minimieren einer Menge an Energie umfasst, die in den Wicklungen aktiviert ist, so dass der Motor (13) statisch bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Aktivieren eines Haltemodus, um die Motorposition statisch zu halten, Folgendes umfasst: Einstellen einer Einschaltzeit eines PWM-Steuersignals, das zur Steuerung einer Menge an Energie verwendet wird, die auf den Motor (13) übertragen wird, auf einen ersten vorherbestimmten Wert; Anlegen eines Motorwicklungskommutierungsmusters an den Motor (13), um den Motor in seiner aktuellen Position zu halten; Verkürzen der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals und Überprüfen auf Motorschlupf; und wenn Motorschlupf auftritt, Verlängern der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals, bis der Schlupf aufhört.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Verkürzung das Verkürzen der PWM-Einschaltzeit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Überprüfen auf Motorschlupf das Vergleichen der Motorposition in zwei oder mehreren Zeitintervallen auf Ungleichheit umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, wobei, wenn der Schlupf auftritt, das Anlegen das Aktualisieren des Motorkommutierungsmusters umfasst, um einer aktuellen, durchgerutschten Motorposition zu entsprechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–13, wobei der erste vorherbestimmte Wert eine PWM-Einschaltzeit umfasst, die zuvor zum Anhalten der Drehung des Motors (13) verwendet wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–14, wobei der Motor (13) in einem Stellglied (10) enthalten ist und mechanisch ein Ausgabeelement (19) davon antreibt, wobei das Verfahren des Weiteren das Halten des Ausgabeelements in einer bestimmten Position umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren das Ausführen einer Positionssteuerungsrückführschleife umfasst, um den Motor (13) selektiv zu betreiben, das Ausgabeelement (19) des Stellglieds (10) in einer ausgewählten Position anzuordnen und die Ausgabe in der gewählten Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Positionssteuerungsrückführschleife eine Hysteresefunktion umfasst, so dass die Neupositionierung des Motors (13) dadurch nur ausgeführt wird, wenn der Schlupf des Motors (13) einen vorherbestimmten Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Halten des Ausgabeelements in der bestimmten Position Folgendes umfasst: das Verkürzen der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals und das Überprüfen auf Motorschlupf; und wenn Motorschlupf auftritt, das Verlängern der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals, bis der Schlupf aufhört.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ausgewählte Position mindestens entweder eine Drehposition oder eine lineare Position umfasst.
Vorrichtung zum Anhalten der Drehung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (13), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Mittel zum Betreiben des Motors (13) als belasteter Generator; ein Mittel zum Überwachen eines Bewegungsprofils des Motors (13) während des Betriebs; ein Mittel zum Aktivieren eines aktiven Verzögerungsmodus, wenn das Bewegungsprofil des Motors (13) eine vorherbestimmte Kennlinie erreicht, wobei der aktive Verzögerungsmodus den Betrieb des Motors (13) in einer Weise umfasst, dass der Motor aktiv verzögert wird, indem der Motor (13) in einer zur Drehung desselben entgegengesetzten Richtung angetrieben wird; und ein Mittel zum Aktivieren eines Haltemodus bei Erfassung der Umkehrung der Richtung des Motors (13), um die Motorposition statisch zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und wobei das Mittel zum Betreiben des Motors (13) als belasteter Generator ein Mittel zum Erden von mindestens einer der Vielzahl von Wicklungen oder sämtlichen Wicklungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei das Bewegungsprofil des Motors (13) mindestens einen der folgenden Parameter umfasst: Drehzahl, Verzögerungsprofil und Anzahl der Umdrehungen des Motors (13).
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die vorherbestimmte Kennlinie mindestens einen der folgenden Zustände umfasst: Abfallen der Drehzahl des Motors (13) unter einen vorherbestimmten Drehzahlwert, Abfallen des Verzögerns des Motors (13) unter einen vorherbestimmten Verzögerungswert und Überschreiten eines vorherbestimmten Umdrehungswerts durch die Umdrehungszahl des Motors (13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20–23, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und das Mittel zum Aktivieren des aktiven Verzögerungsmodus Folgendes umfasst: ein Mittel zum Überwachen einer Drehposition des Motors (13) und einer Drehrichtung des Motors (13) und ein Mittel, um ein Muster der Wicklungen in Bezug auf die Drehung hinter einer aktuellen Motorposition zu aktivieren, wodurch Energie zum Verzögern des Motors (13) bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 24, die des Weiteren ein Mittel zum Aktualisieren des aktivierten Musters der Wicklungen umfasst, wenn der Motor (13) sich weiterhin dreht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20–25, wobei der Motor (13) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und das Aktivieren des Haltemodus das Aktivieren eines Musters der Vielzahl der Wicklungen umfasst, um den Motor (13) statisch zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 26, die des Weiteren ein Mittel zum Minimieren einer Menge an Energie umfasst, die in den Wicklungen aktiviert ist, so dass der Motor (13) statisch bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Mittel zum Aktivieren eines Haltemodus bei Erfassung der Umkehrung der Richtung des Motors (13), um die Motorposition statisch zu halten, Folgendes umfasst: ein Mittel zum Einstellen einer Einschaltzeit eines PWM-Steuersignals, das zur Steuerung einer Menge an Energie verwendet wird, die auf den Motor (13) übertragen wird, auf einen ersten vorherbestimmten Wert; ein Mittel zum Anlegen eines Motorwicklungskommutierungsmusters an den Motor (13), um den Motor in seiner aktuellen Position zu halten; ein Mittel zum Verkürzen der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals und Überprüfen auf Motorschlupf; und ein Mittel zum Verlängern der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals, wenn Motorschlupf auftritt, bis der Schlupf aufhört.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei das Mittel zum Verkürzen ein Mittel zum Verkürzen der PWM-Einschaltzeit mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, wobei das Mittel zum Überprüfen auf Motorschlupf das Vergleichen der Motorposition in zwei oder mehreren Zeitintervallen auf Ungleichheit umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28–30, wobei das Mittel zum Anlegen, wenn der Schlupf auftritt, ein Mittel zum Aktualisieren des Motorkommutierungsmusters umfasst, um einer aktuellen, durchgerutschten Motorposition zu entsprechen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28–31, wobei der erste vorherbestimmte Wert eine PWM-Einschaltzeit umfasst, die zuvor zum Anhalten der Drehung des Motors (13) verwendet wurde.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28–32, wobei der Motor (13) in einem Stellglied (10) enthalten ist und mechanisch ein Ausgabeelement (19) davon antreibt, wobei die Vorrichtung des Weiteren ein Mittel zum Halten des Ausgabeelements (19) des Stellglieds (10) in einer bestimmten Position umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, das des Weiteren ein Mittel zum Ausführen einer Positionssteuerungsrückführschleife umfasst, um den Motor (13) selektiv zu betreiben, das Ausgabeelement (19) des Stellglieds (10) in einer ausgewählten Position anzuordnen und das Ausgabeelement (19) in der gewählten Position zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Mittel zum Ausführen der Positionssteuerungsrückführschleife ein Mittel für eine Hysteresefunktion umfasst, so dass die Neupositionierung des Motors (13) nur ausgeführt wird, wenn der Schlupf des Motors (13) einen vorherbestimmten Wert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Mittel zum Halten des Ausgabeelements (19) des Stellglieds (10) in einer bestimmten Position Folgendes umfasst: das Mittel zum Verkürzen der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals und zum Überprüfen auf Motorschlupf; und das Mittel zum Verlängern der Einschaltzeit des PWM-Steuersignals, wenn Motorschlupf auftritt, bis der Schlupf aufhört.
Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die ausgewählte Position mindestens entweder eine Drehposition oder eine lineare Position umfasst.