EP1727273B1

EP1727273B1 - Vorrichtung zum Speisen eines drahtlos ansteuerbaren Stellantriebs

Info

Publication number: EP1727273B1
Application number: EP05011436A
Authority: EP
Inventors: Dominic Lendi; Ernst Schmuki; Beat Suter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: ES2371470T3; DK1727273T3; CN100570192C; US7402972B2; ATE522022T1; EP1727273A1; US20060279238A1; CN1869489A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Speisen eines drahtlos ansteuerbaren Stellantriebs gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Vorrichtungen werden vorteilhaft in batteriebetriebenen, drahtlos ansteuerbaren Ventilantrieben, beispielsweise in einem über Funk steuerbaren Radiatorventil, eingesetzt.
Drahtlos ansteuerbare Stellantriebe werden vorteilhafterweise als Insel-Gerät betrieben, das bedeutet hier, derartige Stellantriebe sind auch lokal mit einer elektrischen Energiequelle auszurüsten, in der Regel mit einer Batterie.
Es ist bekannt, Geräte drahtlos mit Energie zu versorgen. So wird beispielsweise in DE 28 00 704 A vorgeschlagen, einen Ventilstellantrieb mit einem Ultraschallempfänger auszurüsten und dem Ventilstellantrieb auch Energie zum Laden einer Batterie via Ultraschall über ein Rohrleitungsnetz zuzuführen.
Aus US 2004/0222767 A1 ist ein Gleichstrom-Mechselstrom-Wandler für einen Fahrzeugmotor bekannt. Zur Erreichung einer galvanischen Trennung zwischen einem Hochspannungsteil und einem Niederspannungsteil sind ein Kommunikationmikrocomputer und ein Steuer-Mikrocomputer über einen als galvanische Trennung wirkenden Optokoppler verbunden.
In einem Antrieb ist ein Energiebedarf, der für Bewegungen notwendig ist, in der Regel wesentlich grösser als die Energie, welche für eine drahtlose Datenkommunikation mit einer Systemumgebung aufzubringen ist. Insbesondere bei einem Antrieb, bei dem - an Stelle einer drahtgebundenen elektrischen Energieversorgung über ein Energieversorgungsnetz oder über einen Datenbus - eine Batterie eingesetzt wird, ergibt sich die Notwendigkeit, mit der in der Batterie gespeicherten Energie sparsam umzugehen, damit ein Batteriewechsel möglichst selten vorzunehmen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen drahtlos steuerbaren und mit einer Batterie gespeisten Stellantrieb zu schaffen, dessen Energieverbrauch optimiert ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Regel- und Steuereinrichtung eines Stellantriebs,
Fig. 2: ein Blockschaltbild zur Funktionsweise eines Motortreibermoduls,
Fig. 3: Zustände eines Stellglieds,
Fig. 4: ein Diagramm zum Verlauf einer Stellkraft,
Fig. 5: ein Rechenmodul zur Berechung der Stellkraft, und
Fig. 6: ein weiteres Blockschaltbild zur Darstellung einer optimierten Energiezuteilung im batteriegespeisten Stellantrieb.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Elektromotor bezeichnet, der über ein Getriebe 2 mit einem Transformationselement 3 gekoppelt ist. Ein vom Elektromotor 1 generiertes Drehmoment M_M wird durch das Getriebe 2 in ein an das Transformationselement 3 übertragenes Antriebsmoment M_A umgesetzt. Das Transformationselement 3 wandelt eine vom Elektromotor 1, generierte Drehbewegung in eine Längsbewegung mit einem Hub H- Durch die Längsbewegung wirkt ein Stössel 4 mit einer Stellkraft F auf ein Stellglied 5. Das Stellglied 5 ist hier ein Ventil mit einem Schliesskörper, auf den der Stössel 4 wirkt. Das Ventil ist typischerweise ein stufenlos verstellbares Ventil in einem Heiz- oder Kühlwasserkreis, beispielhaft ein Radiatorventil.
Der Elektromotor 1 wird über ein mit einer Spannungsquelle 6 verbundenes Motortreibermodul 7 gespeist.
Am Getriebe 2 ist eine Sensoreinrichtung 8 zur Erfassung einer Drehbewegung angeordnet. Ein von der Sensoreinrichtung 8 generiertes Signal s wird beispielhaft auf ein Berechnungsmodul 9 geführt. Mit Vorteil werden im Berechnungsmodul 9 mit Hilfe des Signals s ein Geschwindigkeitssignal ω und ein Positionssignal p generiert.
Eine Regeleinrichtung eines Stellantriebs für das Stellglied 5 weist eine innere geschlossene Regelschleife und mit Vorteil auch eine äussere geschlossene Regelschleife auf. Die innere Regelschleife führt von der Sensoreinrichtung 8 über das vom Berechnungsmodul 9 umgesetzte Geschwindigkeitssignal ω und eine erste Vergleichseinrichtung 10 über ein erstes Regelmodul 11 auf das Motortreibermodul 7. Die äussere Regelschleife führt von der Sensoreinrichtung 8 über das vom Berechnungsmodul 9 umgesetzte Positionssignal p und eine zweite Vergleichseinrichtung 12 über ein zweites Regelmodul 13 auf die erste Vergleichseinrichtung 10, und von da über das erste Regelmodul 11 auf das Motortreibermodul 7. An der zweiten Vergleichseinrichtung 12 wird als Führungsgrösse mit Vorteil ein Sollpositionssignal p_s des Stellelements eingespeist.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Stellantriebs ist der Elektromotor 1 ein Gleichstrommotor und das Motortreibermodul 7 weist eine Treibereinheit 20 (Fig. 2) und eine an der Batteriespannung U_B liegende Brückenschaltung 21 zur Ansteuerung des Elektromotors 1 auf. Vier elektronische Schalter 22, 23, 24 und 25 der Brückenschaltung 21 sind von der Treibereinheit 20 ansteuerbar. Durch entsprechende Zustände der vier Schalter 22, 23, 24 und 25 sind die Dauer und die Polarität eines Stromes I_M durch den Elektromotor 1 von der Treibereinheit 20 aus steuerbar. Die Treibereinheit 20 ist mit Vorteil über ein Steuersignal m ansteuerbar.
Das Steuersignal m ist beispielhaft ein Signal, dessen Pulsweite durch das erste Regelmodul 11 moduliert wird.
Die Treibereinheit 20 ist beispielhaft ein integrierter Baustein, während die elektronischen Schalter 22, 23, 24 und 25 beispielsweise durch MOS-Feldeffekttransistoren verwirklicht sind.
Grundsätzlich ist das Motortreibermodul 7 in seinem Aufbau an einen gewählten Motorentyp anzupassen, wobei je nach Anforderung an den Stellantrieb ein geeigneter Motorentyp gewählt und beispielsweise an Stelle der Brückenschaltung 21 eine an den Motortyp angepasste elektronische Kommutierungsschaltung eingesetzt wird.
Das in den Fig. 3a, 3b und 3c vereinfacht dargestellte Stellglied 5 ist beispielhaft ein Ventil mit einem als Stellelement nutzbaren Schliesskörper 30, der über den Stössel 4 gegen die Kraft einer Feder 31 zu einem Ventilsitz 32 hin bewegbar ist. Der Stössel 4 ist, je nach Drehrichtung einer Antriebsspindel 33 des Elektromotors 1, auf einer Längsachse 34 des Schliesskörpers 30 hin und her bewegbar. Das Transformationselement 3 ist hier ein am Stössel 4 ausgebildetes Aussengewinde 35 in Verbindung mit einem an einem Getrieberad 36 ausgebildeten Innengewinde.
In der Fig. 3a ist das Ventil in offenem Zustand dargestellt, der Schliesskörper 30 ist also in einer ersten Endlage, ein möglicher Durchfluss q für ein Fluid ist 100%. Auch der Stössel 4 ist in einer Endlage, wobei sich zwischen dem Stössel 4 und dem Schliesskörper 30 ein Luftspalt 37 bildet. Insbesondere dann, wenn der Ventilantrieb als Universalantrieb auf unterschiedliche Ventiltypen montierbar ist, werden individuell erreichbare Endpositionen bei Schliesskörper und Ventilantrieb nicht genau übereinstimmen. Mit Vorteil werden gemeinsame Endpositionen des Ventilantriebs und des Schliesskörpers nach der. Montage in einem Kalibrierverfahren definiert und vorteilhafterweise in einem Hubmodell im Stellantrieb abgespeichert.
In der Fig. 3b wirkt der Stössel 4 mit einer Stellkraft F_B auf den Schliesskörper 30, der im dargestellten Zustand am Ventilsitz 32 aufliegt. Der Durchfluss q ist in diesem Zustand etwa 0%, das Ventil ist praktisch geschlossen.
In dem in der Fig. 3c dargestellten Zustand des Ventils wirkt der Stössel 4 mit einer - bezogen auf den in der Fig. 3b dargestellten Zustand - grösseren Stellkraft F_c auf den Schliesskörper 30, so dass der Schliesskörper 30 in den Ventilsitz 32 gepresst wird. Der Ventilsitz 32 ist hier beispielsweise aus einem elastischen Material, welches bei der entsprechend grossen Stellkraft F_c vom Schliesskörper 30 verformt wird. Der Durchfluss q ist in diesem Zustand 0%, das Ventil ist dicht geschlossen.
In der Fig. 4 ist ein Hubmodell des Ventils als prinzipieller Verlauf H(F) dargestellt. Der Verlauf H(F) zeigt den Zusammenhang zwischen dem Hub H des Schliesskörpers 30 und der am Schliesskörper 30 angelegten Stellkraft F. Bis zu einem minimalen Wert F_A bleibt der Schliesskörper 30 in der in der Fig. 3a dargestellten ersten Endlage. Damit der Schliesskörper 30 gegen den Ventilsitz 32 hin bewegbar ist, muss der gegen die Feder 31 arbeitende Stössel 4 eine etwa linear zunehmende Stellkraft F überwinden. Bei einem gewissen Wert F_B der Stellkraft ist im Diagramm ein zugehöriger Bezugswert H₀ des Hubs eingezeichnet. Der Bezugswert H₀ entspricht einem Zustand des Stellglieds, bei dem der als Stellelement funktionierende Schliesskörper 30 den Ventilsitz 32 erreicht. Ein zusätzlicher Hub, über den Bezugswert H₀ hinaus gegen einen Absperrwert H_0F, erfordert eine stark überproportionale Erhöhung der Stellkraft F über den Wert F_B hinaus gegen den Wert F_C. Die besagte überproportionale Erhöhung der Stellkraft F aber erfordert auch eine starke zunahme der momentanen Leistung des Elektromotors 1 und damit einen entsprechend hohen Energieverbrauch.
In einem vorteilhaften Regelverfahren, in dem der Durchfluss q mit dem Stellglied 5 zu steuern ist, wird der Bezugswert H₀ möglichst nicht überschritten, sofern ein Energieverbrauch des Stellantriebs minimal sein soll, was bei einer Energieversorgung mittels Batterie mit Vorteil anzustreben ist.
In einem vorteilhaften Kalibrierungsverfahren für ein Stellglied, welches ein Stellelement mit wenigstens einer mechanisch blockierten Endlage aufweist, wird vorteilhafterweise eine vom Stellantrieb aufgebrachte Kraft oder ein vom Stellantrieb aufgebrachtes Drehmoment erfasst und beim Erreichen eines vorbestimmten Werts der Kraft bzw. des Drehmoments die aktuelle Position des Stellelements erfasst und als mechanische Endlage des Stellglieds bzw. des Stellelements abgespeichert und in einem Regelverfahren berücksichtigt.
Das Kalibrierungsverfahren wird beispielsweise über ein dem zweiten Regelmodul 13 (Fig. 1) zugeführtes Startsignal k ausgelöst. Mit Vorteil wird die Umlauffrequenz des Elektromotors 1 während des Kalibrierungsverfahrens auf einen gegenüber einem Normalbetrieb niederen Wert konstant gehalten, indem der vom zweiten Regelmodul 13 generierte Geschwindigkeitssollwert ω_s entsprechend angepasst wird.
Ist das Stellglied beispielsweise ein im Ruhezustand offenes Thermostatventil, dessen Hub H sich in Abhängigkeit von der Stellkraft F prinzipiell wie in der Fig. 4 dargestellt verhält, wird der Schliesskörper mit Vorteil nur im Kalibrierungsverfahren über den Bezugswert H₀ des Hubs hinaus bewegt.
Ein im Hubmodell des Stellantriebs abgespeicherter Regelbereich R (Fig. 4) wird mit Vorteil vom ermittelten Bezugswert H₀ abhängig festgelegt. Der Regelbereich R für das beispielhafte Thermostatventil umfasst damit für eine Regelung nutzbare Endlagen bei H_p - also geschlossen, bzw. Durchfluss q ≅ 0% - und H₁₀₀ - also offen, bzw. Durchfluss q = 100%.
Die Information des von der Sensoreinrichtung 8 (Fig. 1) gelieferte Signals s ermöglicht eine Berechnung der aktuellen Umlauffrequenz des Elektromotors 1 und der Bewegung des Stössels 4. Mit Vorteil ist im Berechnungsmodul 9 ein Hubmodell abgespeichert, in dem wichtige Parameter wie eine aktuelle Position des Schliesskörpers, Endpositionen des Schliesskörpers 30 und eine aktuelle Geschwindigkeit, vorzugsweise die aktuelle Umlauffrequenz des Elektromotors 1 oder bei Bedarf die aktuelle Geschwindigkeit des Schliesskörpers 30 verfügbar sind.
Die Sensoreinrichtung 8 umfasst vorzugsweise eine Lichtquelle und eine auf das Spektrum der Lichtquelle abgestimmte Detektoreinheit, wobei die Lichtquelle auf ein vom Elektromotor 1 bewegtes optisches Muster gerichtet ist, so dass bei laufendem Elektromotor 1 Lichtpulse auf die Detektoreinheit gelangen. Das optische Muster ist beispielsweise eine am Getriebe 2 angeordnete Scheibe mit optisch reflektierenden Zonen, oder mit Löchern oder Zähnen, die derart ausgebildet sind, dass ein Signal der Lichtquelle durch das bewegte optische Muster moduliert wird.
Grundsätzlich kann die Sensoreinrichtung 8 aber auch anders, beispielsweise mittels induktiv arbeitender Einrichtung implementiert werden.
In der zweiten Vergleichseinrichtung 12 wird aus dem Sollpositionssignal p_s und dem vom Berechnungsmodul 9 ermittelten Positionssignal p eine Regeldifferenz (p_s - p) gebildet und an das zweite Regelmodul 13 geleitet. Im zweiten Regelmodul 13 wird eine Führungsgrösse für die erste Vergleichseinrichtung 10 generiert. Die Führungsgrösse ist mit Vorteil ein Geschwindigkeitssollwert ω_s. In der ersten vergleichseinrichtung 10 wird aus dem Geschwindigkeitssollwert ω_s und dem vom Berechnungsmodul 9 ermittelten Geschwindigkeitssignal ω eine Regeldifferenz (ω_s - (ω) gebildet und an das erste Regelmodul 11 geleitet. Im ersten Regelmodul 11 wird mit Hilfe der Regeldifferenz (ω_s - ω) das Steuersignal m für das Motortreibermodul 7 generiert.
Durch die das erste Regelmodul 11 aufweisende innere Regelschleife wird die Drehzahl des Elektromotors 1 konstant gehalten. Damit sind auch rotierende Elemente des mit dem Elektromotor 1 mechanisch gekoppelten Getriebes 2 und des Transformationselements 3 zur Neutralisierung ihrer Massenträgheitsmomente jeweils auf konstante Umlauffrequenzen geregelt. Die Regelung des Elektromotors 1 auf eine konstante Umlauffrequenz bringt die Vorteile, dass auch ein drehzahlabhängiger Geräuschpegel des Stellantriebs konstant ist und durch geeignete Wahl des Geschwindigkeitssollwerts ω_s optimierbar ist. Ferner ist mit der besagten Geschwindigkeitsregelung der Vorteil verbunden, dass Selbstinduktion des Elektromotors 1 und Massenträgheitsmomente rotierender Elemente des Stellantriebs in der Berechnung eines aktuellen Schätzwerts F_E für die Stellkraft F nicht berücksichtigt werden müssen.
Eine Endlage eines Stellelements ist zuverlässig bestimmbar, wenn das Stellelement gegen die Endlage hin bewegt wird und dabei durch ein Rechenmodul 40 (Fig. 5) des Stellantriebs wiederholt der aktuelle Schätzwerts F_E für die Stellkraft F berechnet und mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird.
Mit Hilfe des am Motortreibermodul 7 angelegten Steuersignals m und der Batteriespannung U_B ist der Schätzwert F_E in einer ersten Variante nur näherungsweise mit einer linearen Formel A berechenbar. Das aus dem Steuersignal m, dem aktuellen Wert der Batteriespannung U_B und einer ersten Konstante k_u gebildete Produkt wird um eine zweite Konstante k_F vermindert: $F_{E} = U_{B} \times k_{U} \times m - k_{F}$

Dadurch, dass bei der Berechnung des Schätzwerts F_E neben dem Steuersignal m auch noch das auf die erste vergleichseinrichtung 10 zurückgeführte Geschwindigkeitssignal ω verwendet wird, ergibt sich mit einer Formel B eine verbesserte Variante, in welcher der schätzwert F_E genauer berechenbar ist. Das Geschwindigkeitssignal ω wird mit einer dritten Konstante k_ω multipliziert und das resultierende Produkt vom Schätzwert F_E abgezogen. Die mathematische Beschreibung des Antriebsmodells und damit die Formel B zur verbesserten Berechnung des Schätzwerts F_E lautet also: $F_{E} = U_{B} \times k_{U} \times m - k_{ω} \times ω - k_{F}$
Die Formel B zur Berechnung des Schätzwerts F_E ist mit den drei Konstanten für eine mikroprozessorgerechte Implementierung optimiert aufgebaut. Es versteht sich von selbst, dass die Formel B durch mathematische Umformung, beispielsweise verbunden mit einer Erhöhung der Anzahl verwendeter Konstanten, ein geeigneter Schätzwert der Stellkraft berechenbar ist.
Mit wenig Aufwand können die drei Konstanten k_U, k_ω und k_F so bestimmt werden, dass der Schätzwert F_E für die Bestimmung der Endlage des Stellelements genügend genau berechenbar ist.
Durch die drei Konstanten k_U, k_ω und k_F werden Kennwerte oder Eigenschaften des Elektromotors 1, des Motortreibermoduls 7, des Getriebes 8 und des Transformationselements 3 berücksichtigt.
Das Rechenmodul 40 umfasst eine vorteilhafterweise in einem Mikrocomputer des Stellantriebs abgespeicherte Datenstruktur und wenigstens eine vom Mikrocomputer ausführbare Programmroutine zur Berechnung des Schätzwerts F_E. Die aktuelle Batteriespannung U_B wird zur Berechnung des Schätzwerts F_E beispielhaft jeweils über einen Analogeingang des Mikrocomputers eingelesen.
In einer beispielhaften Implementierung des Rechenmoduls 40 sind die Eigenschaften des Motortreibermoduls 7 insbesondere mit der ersten Konstante k_U berücksichtigt, während mit der zweiten Konstante k_ω vor allem Kennwerte des Elektromotors 1, wie beispielsweise Motorkonstante und Gleichstromwiderstand berücksichtigt sind. Das Getriebe 8 wird mit der dritten Konstante k_F berücksichtigt. Ausserdem ist bei der Berechnung des Schätzwerts F_E der Wirkungsgrad des Stellantriebs berücksichtigt, indem er in jede der drei Konstanten k_U,k_ω und k_F einfliesst.
In der Fig. 6 ist mit 60 der Stellantrieb für das Stellglied 5 (Fig. 1) bezeichnet. Der Stellantrieb 60 weist eine Antriebseinheit 61, eine Getriebeeinheit 63, eine Steuer- und Regeleinheit 62, die als Batterie implementierte Spannungsquelle 6 (Fig. 1), einen Spannungsregler 64 und die Sensoreinrichtung 8 (Fig. 1) auf.
Der Steuer- und Regeleinheit 62 sind eine Sende-Empfängereinheit 65 und eine Mikrocomputereinheit 66 zugeordnet.
Die Antriebseinheit 61 umfasst das Motortreibermodul 7 (Fig. 1) und den Elektromotor 1 (Fig. 1). Die Getriebeeinheit 63 ist vom Elektromotor 1 antreibbar. Die mit der Stellkraft F auf das Stellglied 5 wirkende Getriebeeinheit 63 umfasst das Getriebe 2 (Fig. 1), das Transformationselement 3 (Fig. 1) und den Stössel 4 (Fig. 1).
Die Sende-Empfängereineheit 65 und die Mikrocomputereinheit 66 sind über einen Kommunikationskanal 68 miteinander verbunden.
Das Steuersignal m (Fig. 1) zur Ansteuerung des Motortreibermoduls 7 wird durch die Mikrocomputereinheit 66 generiert. Das von der Sensoreinrichtung 8 gelieferte Signal s ist auf einen Eingang der Mikrocomputereinheit 66 geführt.
Die Antriebseinheit 61 und mit Vorteil auch die Sensoreinrichtung 8 sind zur Energieversorgung direkt an die Batteriespannung U_B der Batterie 6 angeschlossen, während die Steuer- und Regeleinheit 62 über den mit der Batterie 6 verbundenen spannungsregler 64 speisbar ist.
Der Stellantrieb 60 hat ein optimiertes Energiemanagement, welches von der Mikrocomputereinheit 66 gesteuert wird. Dabei werden mit Vorteil die Antriebseinheit 61, die Sensoreinheit 8 und die Sende-Empfängereinheit 65 von der Mikrocomputereinheit 66 sequenziell angesteuert, so dass die von den Einheiten 61, 8 und 65 bezogene elektrische Energie zeitlich versetzt und verzahnt und nicht kumuliert anfällt. Ausserdem wird mit Vorteil die maximale Stromaufnahme der Antriebseinheit 61 begrenzt. Durch die besagte sequenzielle Ansteuerung und die Strombegrenzung werden Stromspitzen vermieden, welche - bedingt durch einen Innenwiderstand R_i der Batterie 6 - zu einem unzulässigen Absinken der Batteriespannung U_B führen würden. Insbesondere werden durch die Strombegrenzung so genannte Anfahrstromspitzen der Antriebseinheit 61 begrenzt.
Zwischen der Sende-Empfängereinheit 66 und einer externen Station 70 ist eine bidirektionale drahtlose Datenkommunikationsverbindung aufbaubar. Die externe Station 70 ist beispielsweise ein Bediengerät, eine Zentrale oder eine übergeordnete Steuereinrichtung. Von der externen Station 70 wird dem Stellantrieb 60 typischerweise ein Temperatursollwert, ein Positionssollwert oder eine Betriebsart über die Datenkommunikationsverbindung übermittelt. Ausserdem ist aktuelle Zustandsinformation des Stellantriebs 60 über die Datenkommunikationsverbindung an die externe Station 70 übertragbar. In einer typischen Variante ist die externe Station 70 ein in ein Computernetz 71 eingebundener Knoten.
Damit der Stellantrieb 60 gegen aussen zuverlässig kommunikationsfähig ist, wird die Steuer- und Regeleinheit 62 über den mit der Batteriespannung U_B verbundenen Spannungsregler 64 gespeist. Der Spannungsregler 64 sichert der Steuer- und Regeleinheit 62 eine konstante Betriebsspannung U_S, unabhängig vom jeweiligen Strombedarf der Antriebseinheit 61 und der Sensoreinheit 8.
Die Sensoreinrichtung 8 umfasst beispielhaft ein von der Getriebeeinheit 63 bewegbares optisches Muster 72, eine Lichtquelle 73 und eine Detektoreinheit 74. Das von der Sensoreinrichtung 8 an die Mikrocomputereinheit 66 übertragene Signal s wird durch die Detektoreinheit 74 aus dem vom optischen Muster 72 durch eine Bewegung der Getriebeeinheit 63 beeinflussten Lichtsignal der Lichtquelle 73 gewonnen.
Mit Vorteil ist die Lichtquelle 73 zur Minimierung des Energieverbrauchs durch ein von der Mikrocomputereinheit 66 generiertes Taktsignal c steuerbar. In einer Vorteilhaften Implementierung der Sensoreinrichtung 8 weist diese eine Modulationseinrichtung 75 auf, durch welche der von der Lichtquelle 73 generierte Lichtstrahl modulierbar ist. Mit Vorteil wird eine durch die Modulationseinrichtung 75 bewirkte Signaltransformation in der Mikrocomputereinheit 66 durch entsprechende Demodulation des von der Sensoreinrichtung 8 gelieferten Signals s berücksichtig.
Durch das von der Steuer- und Regeleinheit 62 generierte Steuersignal m wird der Elektromotor 1 in jeder Betriebsphase auf eine Konstante Drehzahl geregelt. Somit wird der Elektromotor 1 bezüglich seiner Kennlinie unabhängig vom Zustand der durch die Batterie verwirklichten Spannungsquelle 6 immer in einem optimalen Betriebspunkt betrieben.
Dadurch dass die Steuer- und Regeleinheit 62 über den Spannungsregler 64 gespeist wird, ist bei hoher Batteriespannung U_B und auch bei einer durch die Antriebseinheit 61 und die Sensoreinheit 8 verursachten starken Belastung der Spannungsquelle 6 eine sichere Energieversorgung der Steuer- und Regeleinheit 62 gewährleistet.
In einer vorteilhaften Variante des Stellantriebs 60 weist dieser eine Schaltvorrichtung 76 zur Überbrückung des Spannungsreglers 64 auf. Die Schaltvorrichtung 76 ist mittels Aktivierungssignal a durch die Mikrocomputereinheit 66 betätigbar. Bei ausserordentlich niedriger Batteriespannung U_B - also am Ende der Lebensdauer der Batterie - ergibt sich mit der Schaltvorrichtung 76 der Vorteil, dass der Spannungsregler 64 von der Mikrocomputereinheit 66 selbsttätig überbrückbar ist, so dass ein vom Spannungsregler 64 verursachter Spannungsabfall vermieden wird, indem die Steuer- und Regeleinheit 62 durch die Schaltvorrichtung 76 zur Speisung direkt an die Batteriespannung U_B gelegt wird.

Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Getriebe
3: Transformationselement
4: Stössel
5: stellglied
6: Spannungsquelle
7: Motortreibermodul
8: Sensoreinrichtung
9: Berechnungsmodul
10: Vergleichseinrichtung, erste
11: Regelmodul, erstes
12: Vergleichseinrichtung, zweite
13: Regelmodul, zweites
20: Treibereinheit
21: Brückenschaltung
22: elektronischer Schalter
23: elektronischer Schalter
24: elektronischer Schalter
25: elektronischer Schalter
30: Schliesskörper
31: Feder
32: Ventilsitz
33: Antriebsspindel
34: Längsachse
35: Aussengewinde
36: Getrieberad
37: Luftspalt
40: Rechenmodul

60: Stellantrieb
61: Antriebseinheit
62: Steuer- und Regeleinheit
63: Getriebeeinheit
64: Spannungsregler
65: Sende-Empfängereinheit
66: Mikrocomputereinheit
67
68: Kommunikationskanal

70: externe Station
71: Computernetz
72: optisches Muster
73: Lichtquelle
74: Detektoreinheit
75: Modulationseinrichtung
76: Schaltvorrichtung

M_M: Drehmoment
M_A: Antriebsmoment
H: Hub
F: Stellkraft
F_A: Wert der Stellkraft (Ventilberührpunktkraft)
F_B: Wert der Stellkraft (Schliesspunktkraft)
F_C: Wert der Stellkraft (ventilabsperrkraft)
s: Signal der Sensoreinrichtung
ω: Geschwindigkeitssignal
ω_s: Geschwindigkeitssollwert
p: Positionssignal
p_s: Sollpositionssignal
I_M: Strom durch den Elektromotor
m: Steuersignal
H₀: Bezugswert
H_0F: Absperrwert
q: Durchfluss
F_E: Schätzwert für die Stellkraft
k: Startsignal
k_u: Konstante, erste
k_ω: Konstante, zweite
k_F: Konstante, dritte
U_B: Batteriespannung
U_M: Motorspannung
R_i: Innenwiderstand
U_S: Betriebsspannung
c: Taktsignal
a: Aktivierungssignal

Claims

Durch eine Batterie (6) speisbares Antriebsgerät (60) für ein Stellglied (5), mit einer Antriebseinheit (61) zur Betätigung des Stellgliedes (5) und mit einer drahtlos mit einer Aussenstelle (70) kommunikationsfähigen, eine Mikrocomputereinheit (66) aufweisende Steuer- und Regeleinheit (62) zur Steuerung und Regelung der Antriebseinheit (61),
wobei die Antriebseinheit (61) einen über die Steuer-und Regeleinheit (62) steuerbaren Elektromotor (1) und eine Treibereinheit (7) für den Elektromotor (1) aufweiset und die Steuer- und Regeleinheit (62) über eine mit der Batterie (6) verbundenen Spannungsregeleinrichtung (64) speisbar ist,
wobei die Antriebseinheit (61) direkt an die Ausgangsspannung (U_B) der Batterie (6) angeschlossen ist,
und wobei durch die Steuer- und Regeleinheit (62) ein Steuersignal (m) für die Treibereinheit (7) derart generierbar ist, dass die Drehzahl des Elektromotors (1) über eine geschlossene Regelschleife (8, 9, 10, 7) auf einen konstanten Wert (ω_s) regelbar ist,
und wobei die Antriebseinheit (61) und eine Sensoreinheit (8) von der Mikrocomputereinheit (66) sequentiell angesteuert werden, derart, dass die durch die Antriebseinheit (61) und die Sensoreinheit (8) von der Batterie (6) bezogene elektrische Energie zeitlich versetzt und nicht kumuliert anfällt.
Antriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuer- und Regeleinheit (62) eine Sende-Empfängereinheit (65) zur drahtlosen Kommunikation mit der Aussenstelle (70) aufweist.
Antriebsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-Empfängereinheit (65) über eine Datenschnittstelle (68) mit der Mikrocomputereinheit (66) verbunden ist.
Antriebsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtlos an die Sende-Emfängereinheit (65) übermittelter Positionssollwert von der Spende-Empfängereinheit (65) an die Mikrocomputereinheit (66) übertragbar ist.
Antriebsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtlos an die Sende-Empfängereinheit (65) übermittelter Temperatursollwert von der Sende-Empfänqereinheit (65) an die Mikrocomputereinheit (66) übertragbar ist.
Antriebsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregeleinrichtung (64) durch ein von der Steuer- und Regeleinheit (62) generiertes Deaktivierungssignal überbrückbar ist.
Antriebsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) zur Erfassung der Umlauffrequenz des Elektromotors (1) dient.
Antriebsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) eine pulsierend gesteuerte Lichtquelle ausweist.
Antriebsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (7) zur Optimierung des Energieverbrauchs durch ein von der Mikrocomputereinheit (66) generierten Steuersignal (m) ansteuerbar ist.
Antriebsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (73) der Sensoreinrichtung (8) zur Optimierung des Energieverbrauchs durch ein von der Mikrocomputereinheit (66) generiertes Taktsignal (c) steuerbar ist.