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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Motorsteuerungstechnologie.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme
zur Steuerung bürstenloser
Gleichstrommotoren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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Die
europäische
Patentbeschreibung No. EP-A-0 396 088 beschreibt ein Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungssystem,
das ein Stellglied umfasst, das mechanisch mit einem Drosselventil
gekoppelt ist. Das Stellglied dreht eine Abtriebswelle, die mit
zwei parallelen Armen, genauer ausgedrückt, mit einem einstückigen Arm
und einem freien Arm, versehen ist. Der freie Arm ist über einen
Verknüpfungs-
und Kabelantrieb, eine Rückholfeder
und eine weitere Feder in der Nähe
der Welle mit dem Drosselventil verbunden. Während des Betriebs des Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerungssystems
dreht das Stellglied die Welle, wodurch der einstückige Arm
veranlasst wird, sich gegen die Feder in der Nähe der Welle zu bewegen, wodurch
der freie Arm veranlasst wird, sich zusammen mit der Welle zu drehen
und über
den Verknüpfungs-
und Kabelantrieb ein Drehmoment zum Drosselventil zu überträgen.
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Die
japanische Patentzusammenfassung Nr. JP-A 04 359688 beschreibt ein
System, das eine Stromversorgung, einen Motor und einen Steuerkreis umfasst.
Der Steuerkreis treibt den Motor ungeachtet der Spannung, die von
der Stromversorgung angelegt wird, mit einer konstanten Drehzahl
an.
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Die
internationale Patentbeschreibgung Nr. WO-A-95/13650 beschreibt
ein System zur Steuerung der Verzögerung eines Motors während eines Ausfalls
einer Stromversorgung. Das System umfasst einen regenerativen Stromversorgungskreis, der
während
des Strom-AUS-Zustandes Strom an den Motorsteuerkreis anlegt.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Lösungen für die oben
identifizierten Probleme.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren, wie in Anspruch 1 spezifiziert, und
eine Vorrichtung, wie in Anspruch 12 spezifiziert, geschaffen.
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Kurz
gefasst umfasst die vorliegende Erfindung in einem ersten Gesichtspunkt
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.
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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 PWM-Höchsteinschaltdauer
für das PWM-Steuersignal
ermittelt. Die PWM-Höchsteinschaltdauer
entspricht einer vorherbestimmten Motordrehmomentausgabe. Die Motorleistungsdaten können konstante
Drehmomentkurven für
Kombinationen aus Leitungsspannung, Motordrehzahl und PWM-Einschaltdauer
umfassen.
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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.
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Als
weitere Verbesserung kann der Motor in einem Stellglied enthalten
sein und über
ein Reduktionsgetriebe mit einem Ausgabeelement desselben gekoppelt
sein.
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Bei
dieser Konfiguration kann das Verfahren die Verfolgung einer Position
des Ausgabeelements des Stellglieds unter Verwendung der ermittelten
absoluten Motorposition 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 PWM-Höchsteinschaltdauer
beschränkt
sein, um die Motordrehmomentausgabe auf die vorherbestimmte Motordrehmomentausgabe
zu beschränken.
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Bei
einer 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.
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Insbesondere
umfasst das Verfahren die Positionierung des Stellglieds durch Betreiben
des Motors.
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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.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
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.
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Wenn
das Bewegungsprofil des Motors daraufhin eine vorherbestimmte Kennlinie
erreicht, wird ein aktiver Verzögerungsmodus
angelegt. Dieser Modus arbeitet, in dem 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.
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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 die Uberwachung mindestens eines der
folgenden Parameter umfassen: Drehzahl, Verzögerungsprofil und Anzahl der Umdrehungen
des Motors.
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Als
weitere Verbesserung, bei der der Motor r' 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.
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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 Einschaltdauer
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 Einschaltdauer des PWM-Steuersignals wird
daraufhin verringert und es wird eine Prüfung auf Motorschlupf durchgeführt. Wenn
Motorschlupf auftritt, wird die Einschaltdauer des PWM-Steuersignals
erhöht,
bis der Schlupf aufhört.
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Als
Verbesserung kann der erste vorherbestimmte Wert eine PWM-Einschaltdauer
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.
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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.
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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.
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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 Uberwachung 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.
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Bei
einem zweiten Gesichtspunkt umfasst die vorliegende Erfindung eine
Vorrichtung, die dem oben beschriebenen Verfahren entspricht.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Der
Gegenstand, der als die vorliegende Erfindung anzusehen ist, ist
in den unabhängigen
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:
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1 ein
Blockdiagramm eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm der Elektronik des Stellglieds aus 1 gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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3 bis 4 beispielhafte
Kurven von Motorleistungsdaten gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind;
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5 ein
Ablaufplan eines Stellgliedbetriebs gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein
Ablaufplan eines Verfahrens für
die Stellgliedreaktion auf Positionsbefehle gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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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;
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8 ein
Ablaufplan eines Drehmomentsteuerungsverfahrens gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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9 ein
Ablaufplan eines Verfahrens zum Anhalten einer Stellglied- bzw.
Motorbewegung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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10 ein
Ablaufplan eines Verfahrens zum Halten eines bürstenlosen Gleichstrommotors
bzw. Stellglieds in einer statischen Position gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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11 ein
Ablaufplan eines Verfahrens zur Reaktion auf eine Stromverlustbedingung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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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.
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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 über ein Getriebe 15 mechanisch
mit einer Abtriebswelle 19 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.
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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.
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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.
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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
AT, BT und CT des Prozessors 21 angetrieben.
Die untere Hälfte
jedes Schalters wird von Signalen der Ausgänge AB,
BB und CB des Prozessors 21 angetrieben
wie 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.
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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.
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Strom
wird für
das Stellglied 10 mit Hilfe einer Stromversorgung 23 bereitgestellt,
die einen Ausgang VMOT zum Speisen der Motortreiber
(43, 45 und 47) und einen Ausgang VLOGIC zum Speisen der Elektronik einschließlich der
digitalen Logik innerhalb des Stellglieds 10 aufweist.
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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.
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Ein
erster Analogeingang A/D(1) liest die Spannung an einem Knoten innerhalb
eines Spannungsteilers 25 ab, der zwischen der Motorversorgung
VMOT und einer gemeinsamen Leitung angeschlossen
ist. Diese Eingabe wird verwendet, um VMOT 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
des Benutzers. Falls eine Einstellung bei einer bestimmten Ausführungsform
unnötig
ist, könnten
die Einstellungen des Weiteren zu Gunsten von vorprogrammierten
Einstellungen eliminiert werden.
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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.
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Zwei
digitale Eingänge,
D(1) und D(2), sind mit dem Prozessor 21 verbunden und
stellen alternativ zu dem oben beschriebenen Proportionalsteuereingang
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.
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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.
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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.
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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.
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Während des
Betriebs des Stellglieds ist die PWM-Einschaltdauer des Motorsteuersignals
auf einen dynamisch berechneten Höchstwert begrenzt, so dass
die Höchstdrehmomentausgabe
des Stellglieds begrenzt ist. Verschiedene Faktoren beeinflussen
die maximale PWM-Einschaltdauer, wie beispielsweise die Motortreiberversorgungsspannung, die
Motordrehzahl und vorherbestimmte Motorleistungsdaten.
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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.
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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-Einschaltdauer verwendet, um den vorherbestimmten Drehmomentgrenzwert
beizubehalten.
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Zusammengefasst
werden somit die Motordrehzahl und die Treiberspannung während des
Motorbetriebs dynamisch überwacht.
Wenn diese variieren, wird eine PWM-Höchsteinschaltdauer entsprechend
aktualisiert, die einem gewünschten Höchst-Ausgangsdrehmoment
entspricht. Da das Drehmoment eines Gleichstrommotors zunimmt, wenn
die Drehzahl abnimmt, wird die PWM-Höchsteinschaltdauer beispielsweise
verringert, wenn die Motordrehzahl abnimmt (wodurch die Drehmomentausgabe
begrenzt wird). Da das Drehmoment mit der Motorspannung zunimmt,
wenn die Treiberspannung zunimmt, wird die PWM-Höchsteinschaltdauer des Weiteren
verringert (wodurch die Drehmomentausgabe begrenzt wird). Die ermittelte
PWM-Höchsteinschaltdauer
wird als Grenzwert für
das tatsächliche PWM-Steuersignal verwendet,
das an die Motortreiber angelegt wird (mit Hilfe des hierin beschriebenen Logikschaltkreises).
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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).
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Es
sind viele verschiedene lmplementierungen der oben genannten Verfahren
möglich.
Jedoch wird die PWM-Höchsteinschaltdauer
(d.h. ein PWM-Grenzwert) bei einer bevorzugten Ausführungsform
dynamisch ermittelt als:
Höchst_pwm_einschaltdauer
= (Modell_Faktor)(Drehzahl_Faktor)(Spannung_Faktor)
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Modell_Faktor
ist ein voreingestellter Wert, der die gewünschte Drehmomentausgabe für das spezifische
Stellgliedmodell definiert. Er ist die PWM-Einschaltdauer, 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).
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Drehzahl_Faktor
ist eine normalisierte Darstellung der PWM-Einschaltdauer, 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 unab hängige
Variable (gemessen) und PWM-Einschaltdauer 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.
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Spannung_Faktor
ist eine normalisierte Darstellung der Betriebsspannung des Motors.
Er weist einen Höchstwert
(1) bei der niedrigsten spezifizierten Betriebsspannung
auf und nimmt ab, wenn die Betriebsspannung zunimmt. Spannung_Faktor
wird aus den Motorleistungsdaten, wie beispielsweise denen aus 4,
ermittelt.
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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.
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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
er fasst 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
Codieren oder ein Potenziometer).
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Als
nächster
Schritt werden während
des Stellgliedbetriebs mehrere Aufgaben aktiv gehalten. Zuerst wird
eine Aufgabe ausgeführt,
die auf Benutzeranfragen für
Stellgliedbetriebe 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.
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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).
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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.
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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).
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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 Implementierungsbeispiel alle 555 μs bei der Auslegungsbetriebsdrehzahl
durchgeführt. Die
Wicklungsmusteraktualisierung wird schnell genug durchgeführt, so
dass sie die Motordrehzahl, die von der Einschaltdauer des PWM-Steuersignals,
die weiter unten im Zusammenhang mit 8 beschrieben
wird, primär
geregelt wird, nicht primär
beherrscht.
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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.
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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.
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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.
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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 bis 4 (SCHRITT 165)
eine PWM-Höchsteinschaltdauer
ermittelt. Diese PWM-Höchsteinschaltdauer
stellt einen oberen Drehmomentgrenzwert für den Motor in seinem gegenwärtigen Betriebszustand
ein.
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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-Einschaltdauer erhöht (SCHRITT 173).
Dies hat zur Folge, dass mehr Energie zu den Motorwicklungen übertragen
wird, wodurch dessen Drehzahl erhöht wird. Die neue PWM-Einschaltdauer wird
mit der PWM-Höchsteinschaltdauer,
die als Drehmomentgrenzwert verwendet wird, verglichen (SCHRITT 175),
und wenn die PWM-Einschaltdauer den Höchstwert überschreitet, wird sie darauf
begrenzt (SCHRITT 177). Das Verfahren geht daraufhin zur
Ablesung der Motordrehzahl bei SCHRITT 161 zurück.
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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-Einschaltdauer 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.
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Unter
momentaner Bezugnahme zurück
auf 7 wird, wenn die absolute Motorposition ihren gewünschten
eingestellten Punkt erreicht hat und ein Anhalten bzw. Festhalten
des Motors gewünscht
wird (SCHRITT 153), das Verfahren, das in 9 dargestellt
ist, 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.
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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).
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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 belasteten Generators somit aufrechterhalten,
bis die Motordrehzahl um 1/2 verringert ist oder 8 mechanische Umdrehungen
stattfinden (je nachdem, was zuerst eintritt).
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Der
nachfolgende Bremsmodus ist ein aktiver Verzögerungsmodus, der eine Schleife
umfasst, die mit einer Ermittlung der Drehrichtung beginnt (SCHRITT 195).
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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).
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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
verlangsamt sich der Motor, stoppt und kehrt daraufhin seine Richtung
um. Bis die Umkehrung der Richtung stattgefunden hat, wird die Schleife
wiederholt (zu SCHRITT 195).
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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.
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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).
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Während des
oben erörterten
aktiven Bremsverfahrens wird die PWM-Einschaltdauer erhöht, um ein Bremsen zu ermöglichen.
Die PWM-Einschaltdauer 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-Einschaltdauerbereichs (0 bis 255) und entspricht somit einer Änderung
von etwa 0,4%.
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Unter
Bezugnahme auf 10 beginnt das Motor- bzw. Stellgliedhalteverfahren
mit der Aufrechterhaltung des gegenwärtig an die Motorwicklungen angelegten
Haltemusters (SCHRITT 221). Gemäß den hierin offenbarten Verfahren
wird je doch die Energie, die an den Motor angelegt wird, ihn ihn
festzuhalten, jetzt reduziert, bis ein Minimum der Halteenergie
erreicht ist. Demgemäß wird in
eine Schleife eingetreten, in der die PWM-Einschaltdauer, 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-Einschaltdauer von null erreicht ist (SCHRITT 226).
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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-Einschaltdauer der Motorwicklungen
aufgestuft wird (SCHRITT 229), bis die Drehung aufhört (SCHRITT 233).
Während
dieser Schleife wird das Wicklungsmuster 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-Einschaltdauer aufrechterhalten und die
Halteroutine wird beendet (SCHRITT 235). Wenn Schlupf auftritt
und die PWM-Einschaltdauer bei ihrem oberen Grenzwert für aktives
Bremsen ist, wird bei einer Ausführungsform
wieder in die aktive Bremsschleife eingetreten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.