WO2012123133A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines stellgebersystems mit einem elektronisch kommutierten stellantrieb - Google Patents

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WO2012123133A1
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magnetic field
motor magnetic
rotor
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Alex Grossmann
Udo Sieber
Ralf Buehrle
Zeynep Tosun
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02D2200/0404—Throttle position

Definitions

  • the invention relates to positioner systems with electronically commutated Stellan- drives, in which a position of an actuator to be set can be read back by a position detector.
  • the positioners usually include an electric motor actuator, a transmission or a mechanism and an actuator whose position can be adjusted by the actuator and the transmission.
  • the positioners can be used as a throttle valve actuator, as an exhaust gas recirculation valve, for cargo movement flaps and numerous comparable components.
  • Such positioners are often provided with a position detector for reading back the actual actual position of the actuator.
  • a position detector can be used on the one hand to check the correct position of the actuator.
  • the actuated position of the position indicator also corresponds to the actual position of the actuator.
  • a position control of the actuator can be carried out by controlling the measured actual position compared to the predetermined desired position.
  • brush-commutated electric motors are used as actuators for such positioners.
  • these have the disadvantage that they have a deteriorated EMC behavior by the emergence of brush fire. Furthermore, they have, for example due to friction of the brushes on a commutator to a higher energy consumption and have due to the wear of the brush a reduced life.
  • sensorless methods that are based for example on a measurement of the induced voltage in the stator winding, such.
  • the back EMF method require a complex wiring in the control unit and are usually too expensive for a positioner.
  • Alternative sensorless methods, in which the rotor position is determined by measuring the rotor position of the dependent inductance of the stator coils also require a complex wiring in the control unit and are also not as robust and reliable as the sensor-bound method for measuring the rotor position.
  • Positioner systems are known in which the position detector, which is arranged on the actuator or on the actuator driving the transmission, is used directly for the commutation of the brushless electric motor.
  • the position information that is provided by the position detector, converted into a rotor position to bring about the commutation can.
  • Basis of a faulty rotor position is performed so that only a reduced torque is available to place.
  • a calibration must be carried out.
  • Such a calibration can be performed, for example, by driving the actuator with Kommut istsmustern in controlled operation, which cause a defined direction of the motor magnetic field.
  • the excitation magnetic field of the rotor should align with the motor magnetic field, so that the rotor position corresponds to the direction of the motor magnetic field.
  • the rotor position thus created can be assigned a position of the actuator.
  • a method for calibrating a position encoder system wherein the position encoder system has an electronically commutated actuator and a coupled, gegenkraftbeauftschtes actuator, wherein a position of the actuator is detected to obtain a position indication, and wherein a commutation of Actuator for generating a motor magnetic field based on a using the
  • Position determined rotor position is performed, with the following
  • Motor magnetic fields generated and corresponding position information on the position of the actuator can be detected. Assuming a linear Depending on the counterforce to a deviation of the position of the actuator from the position with a counterforce-free actuator, based on the position information in the specific direction of the motor magnetic field, the position information on the position of a counterforce-free actuator can be determined. This determined position statement can be the direction of the
  • Motor magnetic field which corresponds to the direction of the exciting magnetic field in a counterforce-free actuator assigned. This is a calibration of the rotor position to a position indication by two times
  • the extrapolation may be to a point where the magnitude of the motor magnetic field is zero or near zero.
  • the actuator can be controlled by means of phase voltages, wherein the strength of the motor magnetic field is determined by a duty cycle applied to the actuator phase voltages and / or wherein the direction of the motor magnetic field is determined by the ratio of the phase voltages.
  • a device for calibrating a position encoder system wherein the positioner system has an electronically commutated actuator and an oppositely actuated actuator coupled thereto, wherein a position of the actuator is detected to obtain a position indication, and wherein a Commutation of the actuator for generating a motor magnetic field is performed based on a determined by means of the position indicator rotor position, wherein the device is designed to: - To control the actuator so that a first motor magnetic field of a first strength is generated, and to determine a first position indication for the position of the aligned on the first motor magnetic field actuator;
  • a position indicator which indicates a position of the actuator on the assumption that the actuator is not subjected to a counterforce
  • an encoder system comprising:
  • a position detector to detect a position of the actuator and provide a position indication indicating the position of the actuator
  • the device is configured to • based on the first and the second position indication one
  • a computer program product includes program code that, when executed on a computing device, performs the above method.
  • Figure 1 is a schematic representation of a position encoder system in which an external position detector is used for commutation of the actuator;
  • FIG. 2 shows a diagram for illustrating the torque as a function of an angular difference between the motor magnetic field and the exciter magnetic field generated by the rotor at constant motor current
  • Figure 3 is a diagram illustrating the dependence of the torque acting on the actuator per unit current over the offset angle between the motor magnetic field and the field magnetic field of the rotor.
  • Figure 1 shows a position encoder system 1 with a position sensor 2, which is controlled by a control unit 3.
  • the position encoder 2 comprises as an actuator 4 an electronically commutated, ie brushless, electric motor, such as a synchronous motor, an asynchronous motor or the like.
  • the position drive 4 has an output shaft which is coupled to a transmission 5.
  • the transmission 5 is further coupled to an actuator 6.
  • the actuator 6 is controlled by the control unit 3 in a predetermined position or moved.
  • the control unit receives a position specification S, such as, for example, a driver's desired torque in the case of a throttle valve actuator.
  • the transmission 5 is designed in particular as a step-down gear 5, so that a rotor travel path is associated with a smaller travel of the actuator 6.
  • a coupling mechanism can also be provided.
  • a position detector 7 is arranged on the actuator 6 or alternatively on the transmission 5, a position detector 7 is arranged. By means of the position detector 7, an adjusting movement or the position of the actuator 6 can be detected. A position indication of the detected position of the actuator 6 is transmitted in a suitable manner to the control unit 3.
  • the position detector may include a GMR sensor (GMR: Giant Magnetic Resistance), a Hall sensor, or the like. Alternatively, optical methods can also be used.
  • GMR Giant Magnetic Resistance
  • a Hall sensor or the like.
  • optical methods can also be used.
  • a detector voltage can be provided to the control unit, the position statement z. B. digitized using an analog-to-digital converter prior to further processing.
  • Such positioners 2 are used, for example, in motor vehicles, for example in throttle valves, exhaust gas recirculation valves, cargo movement dampers and numerous similar components.
  • the actuator 6 may be acted upon depending on the application with a restoring force, for example, via a return spring 8, in particular a biased return spring 8, acting on the actuator 6, so that the actuator 6 in the de-energized state of
  • Actuator 4 is brought into a rest position.
  • the driving is usually carried out by control signals or commutation signals, which cause a stator magnetization, which leads to the generation of a motor magnetic field.
  • the motor magnetic field interacts with the exciting magnetic field generated by the rotor 41, thus generating a driving torque.
  • the generated torque is dependent on the angle between the direction of the motor magnetic field and the direction of the exciting magnetic field.
  • the maximum of the torque is reached at a lead angle of the motor magnetic field to the stator magnetic field of 90 c . For deviations from this lead angle, the torque decreases with respect to the determined motor current.
  • FIG. 2 shows a curve of the torque at a specific motor current over the lead angle.
  • the brushless actuator 4 can be provided without a position sensor, since instead the position of the position detector 7 can be used to adjust the position of the rotor from the position of the actuator 6 derive.
  • the assignment of the actuator 6 to the rotor position of the rotor of the actuator 4 takes place taking into account the lower or transmission ratio of the transmission 5 and the mechanics.
  • the assignment takes place in the control unit 3 using a predetermined assignment function or a lookup table.
  • the electric motor of the actuator 4 may be provided as a three-phase synchronous motor with two Rotorpolpresen.
  • the minimum resolution of the commutation is then 30 ° mechanical rotor position. This also corresponds to the required resolution of the rotor position detection.
  • a resolution of the position detector 7 of 1 ° is necessary for a sufficient discrimination of the rotor position.
  • the traverse path is interrogated in controlled operation and a corresponding association between a space vector angle of an applied motor magnetic field and the associated position of the rotor 41 is recorded. This is done on the assumption that the exciter magnetic field in controlled operation aligns directly in the direction of the motor magnetic field.
  • the linear part of the curve shown in FIG. 2 is used to determine the corresponding position indication Ui from the two measuring points at a specific position of the space vector or a specific direction of the motor magnetic field (with different magnitudes of the magnetic field) .
  • ⁇ x TV! M 2 x TV 2 , where M 1; M 2 indicate the torque per unit of power or the torque per duty cycle. 2 represent motor currents at the duty ratios TV or TV 2 .
  • the position information U1, U 2 are smaller with a smaller duty cycle TV.
  • the compensated position indication U 0 is calculated at a rotor position. In this case, the compensated position indication U 0 is extrapolated from the positions J- [, U 2 measured at different motor currents.
  • the torque per motor current unit or per duty cycle unit is proportional to the differential angle between the motor magnetic field and the field magnet field. The following applies:
  • a position indication in the form of a detector voltage U 0 or the like can be assigned to the currently applied motor magnetic field or the direction of the currently applied motor magnetic field, whereby one obtains an assignment of the direction of the motor magnetic field corresponding rotor position and a position indication.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stellgebersystems (1), wobei das Stellgebersystem (1) einen elektronisch kommutierten Stellantrieb (4) und ein damit gekoppeltes, gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied (6) aufweist, wobei eine Stellung des Stellglieds (6) detektiert wird, um eine Stellungsangabe zu erhalten, und wobei eine Kommutierung des Stellantriebs (4) zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage durchgeführt wird, mit folgenden Schritten: Ansteuern des Stellantriebs (4), so dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer ersten Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds (6); Ansteuern des Stellantriebs (4), so dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer zweiten Stellungsangäbe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds (6), wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind; basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe, Ermitteln einer Stellungsangabe, die eine Stellung des Stellglieds (6) unter der Annähme angibt, dass das Stellglied (6) nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist; Zuordnen der ermittelten Stellungsangabe zu einer Läuferlage, die der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stellgebersystems mit einem elektronisch kommutierten Stellantrieb
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Stellgebersysteme mit elektronisch kommutierten Stellan- trieben, bei denen eine Stellung eines zu stellenden Stellglieds durch einen Stellungsdetektor zurückgelesen werden kann.
Stand der Technik In einem Kraftfahrzeug werden zahlreiche Stellgeber verwendet. Die Stellgeber umfassen üblicherweise einen elektromotorischen Stellantrieb, ein Getriebe oder eine Mechanik sowie ein Stellglied, dessen Stellung durch den Stellantrieb und über das Getriebe eingestellt werden kann. Beispielsweise können derartige Stellgeber als Drosselklappensteller, als Abgasrückführungsventil, für Ladungs- bewegungsklappen und zahlreiche vergleichbare Komponenten eingesetzt werden.
Je nach Einsatzgebiet sind derartige Stellgeber häufig mit einem Stellungsdetektor zum Rücklesen der tatsächlichen Iststellung des Stellglieds versehen. Ein solcher Stellungsdetektor kann zum einen zum Überprüfen der korrekten Stellung des Stellglieds verwendet werden. Dadurch kann überwacht werden, dass die angesteuerte Stellung des Stellgebers auch der tatsächlichen Stellung des Stellglieds entspricht. Zum anderen kann mithilfe der durch den Stellungsdetektor erfassten Iststellung eine Positionsregelung des Stellglieds durchgeführt werden, indem die gemessene Iststellung im Vergleich zur vorgegebenen Sollstellung geregelt wird. Üblicherweise werden als Stellantriebe für derartige Stellgeber bürstenkommu- tierte Elektromotoren verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie durch die Entstehung von Bürstenfeuer ein verschlechtertes EMV-Verhalten aufweisen. Weiterhin weisen sie beispielsweise aufgrund von Reibung der Bürsten auf einem Kommutator einen höheren Energieverbrauch auf und haben aufgrund des Verschleißes der Bürsten eine verringerte Lebensdauer.
Diese Nachteile treffen nicht auf elektronisch kommutierte Elektromotoren als Stellantriebe zu. Elektronisch kommutierte Stellantriebe erfordern jedoch eine externe Kommutierung, wozu eine Kenntnis der Läuferlage erforderlich ist, um eine optimale Kommutierung zu gewährleisten. Die üblichen Verfahren zur Erfassung der Läuferlage verwenden zusätzliche Läuferlagesensoren im Elektromotor, die die Herstellung des Stellantriebs insgesamt aufwändiger machen. Zudem erhöht sich der Verkabelungsaufwand zwischen dem Stellantrieb und dem entsprechenden Steuergerät.
Auch sensorlose Verfahren, die beispielsweise auf einer Messung der in der Statorwicklung induzierten Spannung basieren, wie z. B. das Back-EMF-Verfahren, erfordern eine aufwändige Beschaltung im Steuergerät und sind für einen Stellgeber in der Regel zu aufwändig. Alternative sensorlose Verfahren, bei denen die Läuferlage über eine Messung der Läuferlage der abhängigen Induktivität der Statorspulen bestimmt wird, benötigen ebenfalls eine aufwändige Beschaltung im Steuergerät und sind zudem nicht so robust und zuverlässig wie die sensorgebundenen Verfahren zum Messen der Rotorlage.
Es sind Stellgebersysteme bekannt, bei denen der Stellungsdetektor, der an dem Stellglied oder an dem das Stellglied ansteuernden Getriebe angeordnet ist, direkt für die Kommutierung des bürstenlosen Elektromotors verwendet wird. Hierbei wird die Stellungsangabe, die von dem Stellungsdetektor bereitgestellt wird, in eine Läuferlage umgerechnet, um die Kommutierung herbeiführen zu können.
Bei der Ansteuerung des elektronisch kommutierten Stellantriebs erhält man den besten Wirkungsgrad bezüglich des Drehmoments bei einer Voreilung des Motormagnetfelds zu dem von dem Läufer des Stellantriebs bewirkten Erregermagnetfeld von 90° (elektrischer Läuferlage). Verschiedene Einflüsse, wie beispiels- weise Alterungseinflüsse auf den Stellungsdetektor, die sich in einer Drift auswirken, und Genauigkeitsverluste aufgrund eines untersetzenden Getriebes, das das Stellglied mit dem Stellantrieb koppelt, sowie dessen Toleranzen führen jedoch zu einer verminderten Genauigkeit der aus der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage. Dies kann dazu führen, dass die Kommutierung des Stellantriebs auf
Grundlage einer fehlerhaften Läuferlage durchgeführt wird, so dass nur ein reduziertes Drehmoment zum Stellen bereitsteht.
Da die Zuordnung der von dem Stellungsdetektor ermittelten Stellungsangabe zu der tatsächlichen Läuferlage in der Regel bei Inbetriebnahme des Stellgebersystems nicht feststeht, muss eine Kalibrierung durchgeführt werden. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise durch das Ansteuern des Stellantriebs mit Kommutierungsmustern im gesteuerten Betrieb durchgeführt werden, die eine definierte Richtung des Motormagnetfelds bewirken. Im gesteuerten Betrieb soll sich das Erregermagnetfeld des Läufers auf das Motormagnetfeld ausrichten, so dass die Läuferlage der Richtung des Motormagnetfelds entspricht. Der so ermit- teiten Läuferlage kann eine Stellung des Stellglieds zugeordnet werden.
Beim Bewegen des Stellglieds während des Kalibrierungsverfahrens wirken in der Regel nicht konstante Gegenkräfte, die beispielsweise aufgrund von Reibung oder dergleichen oder auch aufgrund einer das Stellglied beaufschlagenden Rückstellkraft auftreten können. Diese Gegenkräfte erschweren das Kalibrierungsverfahren, da sie eine zunächst nicht bekannte Abweichung der Läuferlage gegenüber einem nicht mit Gegenkräften beaufschlagten Stellglied bewirken können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stellgebersystems bei Verwendung eines externen Stellungsdetektors zur Kommutierung vorzusehen, das den Einfluss von nicht konstanten Gegenkräften auf das Stellglied und/oder auf den Läufer kompensiert. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Kalibrieren eines Stellgebersystems gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Stellgebersystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stellgebersystems vorgesehen, wobei das Stellgebersystem einen elektronisch kommu- tierten Stellantrieb und ein damit gekoppeltes, gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied aufweist, wobei eine Stellung des Stellglieds detektiert wird, um eine Stellungsangabe zu erhalten, und wobei eine Kommutierung des Stellantriebs zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der
Stellungsangabe ermittelten Läuferlage durchgeführt wird, mit folgenden
Schritten:
- Ansteuern des Stellantriebs, so dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer ersten Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds;
- Ansteuern des Stellantriebs, so dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer zweiten Stellungsangabe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds, wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
- basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe Ermitteln einer Stellungsangabe, die eine Stellung des Stellglieds unter der Annahme angibt, dass das Stellglied nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist;
- Zuordnen der ermittelten Stellungsangabe zu einer Läuferlage, die der Lage der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine oder mehrere Läuferlagen eines Stellantriebs des Stellgebersystems zu kalibrieren, indem für eine Richtung eines Motormagnetfelds mindestens zwei verschiedene Stärken von
Motormagnetfeldern generiert und entsprechende Stellungsangaben über die Stellung des Stellglieds erfasst werden. Unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit der Gegenkraft zu einer Abweichung der Stellung des Stellglieds von der Stellung bei einem gegenkraftfreien Stellglied, kann basierend auf den Stellungsangaben bei der bestimmten Richtung des Motormagnetfelds die Stellungsangabe über die Stellung eines gegenkraftfreien Stellglieds ermittelt werden. Diese ermittelte Stellungsangabe kann der Richtung des
Motormagnetfelds, die der Richtung des Erregermagnetfelds bei einem gegenkraftfreien Stellglied entspricht, zugeordnet werden. Dadurch ist ein Kalibrieren der Läuferlage zu einer Stellungsangabe durch zweimaliges
Ansteuern des Stellantriebs mit Motormagnetfeldern gleicher Richtung und unterschiedlicher Stärken durchführbar und die Einflüsse von Gegenkräften während des Kalibrierungsverfahrens können eliminiert werden.
Weiterhin kann das Ermitteln der Stellungsangabe, die eine Stellung des
Stellglieds unter der Annahme angibt, dass das Stellglied nicht mit einer
Gegenkraft beaufschlagt ist; durch Extrapolieren, insbesondere durch lineares
Extrapolieren, der ersten und der zweiten Stellungsangabe ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Extrapolieren auf einen Punkt erfolgen, bei dem die Stärke des Motormagnetfelds Null oder nahezu Null entspricht.
Insbesondere kann der Stellantrieb mithilfe von Phasenspannungen ansteuerbar sein, wobei die Stärke des Motormagnetfelds durch ein Tastverhältnis von an den Stellantrieb angelegten Phasenspannungen bestimmt wird und/oder wobei die Richtung des Motormagnetfelds durch das Verhältnis der Phasenspannungen bestimmt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stellgebersystems vorgesehen, wobei das Stellgebersystem einen elektronisch kom- mutierten Stellantrieb und ein damit gekoppeltes, gegenkraftbeaufschlagtes Stell- glied aufweist, wobei eine Stellung des Stellglieds detektiert wird, um eine Stellungsangabe zu erhalten, und wobei eine Kommutierung des Stellantriebs zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - den Stellantrieb so anzusteuern, dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und eine erste Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln;
- den Stellantrieb so anzusteuern, dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und eine zweite Stellungsangabe für die
Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln, wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
- basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe eine Stellungs- angäbe zu ermitteln, die eine Stellung des Stellglieds unter der Annahme angibt, dass das Stellglied nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist;
- die ermittelte Stellungsangabe einer Läuferlage zuzuordnen, die der Lage der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Stellgebersystem vorgesehen, umfassend:
- einen elektronisch kommutierten Stellantrieb;
- ein gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied, das mit dem Stellantrieb gekoppelt ist;
- einen Stellungsdetektor, um eine Stellung des Stellglieds zu detektieren und eine Stellungsangabe, die die Stellung des Stellglieds angibt, bereitzustellen,
- ein Steuergerät zum Durchführen einer Kommutierung des Stellantriebs zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage;
- eine Vorrichtung zum Kalibrieren des Stellgebersystems, wobei die
Vorrichtung das Steuergerät veranlasst,
• den Stellantrieb so anzusteuern, dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und eine erste Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln;
· den Stellantrieb so anzusteuern, dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und eine zweite Stellungsangabe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln, wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
und wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um • basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe eine
Stellungsangabe zu ermitteln, die eine Stellung des Stellglieds unter der Annahme angibt, dass das Stellglied nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist; und
• die ermittelte Stellungsangabe einer Läuferlage zuzuordnen, die der Lage der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Stellgebersystems, bei dem ein externer Stellungsdetektor für eine Kommutierung des Stellantriebs verwendet wird;
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Drehmoments abhängig von einer Winkeldifferenz zwischen dem Motormagnetfeld und dem von dem Läufer erzeugten Erregermagnetfeld bei konstantem Motorstrom; und
Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des an dem Stellglied wirkenden Drehmoments pro Stromeinheit über dem Versatzwinkel zwischen dem Motormagnetfeld und dem Erregermagnetfeld des Läufers.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein Stellgebersystem 1 mit einem Stellgeber 2, der von einem Steuergerät 3 angesteuert wird. Der Stellgeber 2 umfasst als Stellantrieb 4 einen elektronisch kommutierten, d. h. bürstenlosen, Elektromotor, wie beispielsweise einen Synchronmotor, einen Asynchronmotor oder dergleichen. Der Stellan- trieb 4 weist eine Abtriebswelle auf, die mit einem Getriebe 5 gekoppelt ist. Das Getriebe 5 ist weiterhin mit einem Stellglied 6 gekoppelt. Das Stellglied 6 soll angesteuert durch das Steuergerät 3 in eine vorgegebene Stellung verfahren bzw. verstellt werden. Das Steuergerät erhält dazu eine Stellungsvorgabe S wie z.B. ein Fahrerwunschmoment bei einem Drosselklappensteller.
Das Getriebe 5 ist insbesondere als untersetzendes Getriebe 5 ausgebildet, so dass einem Läuferweg ein kleinerer Stellweg des Stellglieds 6 zugeordnet ist. Alternativ zu dem Getriebe 5 kann auch eine koppelnde Mechanik vorgesehen sein.
An dem Stellglied 6 oder alternativ an dem Getriebe 5 ist ein Stellungsdetektor 7 angeordnet. Mithilfe des Stellungsdetektors 7 kann eine Stellbewegung bzw. die Stellung des Stellglieds 6 erfasst werden. Eine Stellungsangabe über die erfasste Stellung des Stellglieds 6 wird in geeigneter Weise an das Steuergerät 3 übermittelt. Beispielsweise kann der Stellungsdetektor einen GMR-Sensor (GMR: Giant Magnetic Resistance), einen Hall-Sensor oder dergleichen aufweisen. Alternativ können auch optische Verfahren angewendet werden. Als Stellungsangabe kann beispielsweise eine Detektorspannung an das Steuergerät bereitgestellt werden, die die Stellungsangabe z. B. mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers vor der Weiterverarbeitung digitalisiert.
Derartige Stellgeber 2 werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise bei Drosselklappen, Abgasrückführungsventilen, Ladungsbewe- gungsklappen und zahlreichen ähnlichen Komponenten. Insbesondere finden solche Stellgeber 2 dort Einsatz, wo die korrekte Stellbewegung des Stellgebers 2 funktionswesentlich ist und daher ohnehin der Stellungsdetektor 7 an dem Stellglied 6 vorgesehen ist, um dessen Stellung zu überprüfen. Beim Verstellen des Stellglieds 6 wirkt auf dieses aufgrund von Reibungen sowohl im Getriebe 5 als auch in dem Stellantrieb und dem Stellglied eine der Stellbewegung entgegengesetzte Gegenkraft. Weiterhin kann das Stellglied 6 je nach Einsatzgebiet mit einer Rückstellkraft beaufschlagt sein, die beispielsweise über eine Rückstellfeder 8, insbesondere eine vorgespannte Rückstellfeder 8, auf das Stellglied 6 einwirkt, so dass das Stellglied 6 im stromlosen Zustand des
Stellantriebs 4 in eine Ruheposition gebracht wird. Zum Betreiben des elektronisch kommutierten Stellantriebs 4 ist eine Kenntnis der Läuferlage eines in dem Stellantrieb 4 vorgesehenen Läufers 41 erforderlich. Das Ansteuern erfolgt in der Regel durch Ansteuersignale bzw. Kommutierungssignale, die eine Statormagnetisierung hervorrufen, die zur Erzeugung eines Motormagnetfelds führt. Das Motormagnetfeld wechselwirkt mit dem Erregermagnetfeld, das von dem Läufer 41 generiert wird, und führt so zur Erzeugung eines Antriebsmoments. Bezüglich eines bestimmten Motorstroms durch die Statorwicklungen ist das erzeugte Drehmoment abhängig von dem Winkel zwischen der Richtung des Motormagnetfelds und der Richtung des Erregermagnetfelds. Bezüglich eines bestimmten Motorstroms wird das Maximum des Drehmoments bei einem Voreilungswinkel des Motormagnetfelds zum Statormagnetfeld von 90c erreicht. Bei Abweichungen von diesem Voreilungswinkel nimmt das Drehmoment bezüglich des bestimmten Motorstroms ab. In Figur 2 ist ein Verlauf des Drehmoments bei einem bestimmten Motorstrom über dem Voreilungswinkel aufgetragen.
Im vorliegenden Stellgebersystem 1 ist nun vorgesehen, auf das Vorsehen eines Läuferlagesensors oder eines Verfahrens zur sensorlosen Erfassung der Läuferlage zu verzichten und stattdessen den Stellungsdetektor 7, der fest mit dem Stellglied 6 gekoppelt ist, zu verwenden, um die aktuelle Läuferlage zu ermitteln.
Wird in einem Stellgebersystem 1 der Stellungsdetektor 7 zum Überprüfen der tatsächlichen Stellung des Stellglieds 6 gefordert, so kann der bürstenlose Stellantrieb 4 ohne einen Läuferlagesensor vorgesehen werden, da stattdessen die Stellung des Stellungsdetektors 7 verwendet werden kann, um die Läuferlage aus der Stellung des Stellglieds 6 abzuleiten. Die Zuordnung des Stellglieds 6 zu der Läuferlage des Läufers des Stellantriebs 4 erfolgt unter Berücksichtigung des Unter- bzw. Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 5 bzw. der Mechanik. Die Zuordnung erfolgt in dem Steuergerät 3 mithilfe einer vorgegebenen Zuordnungsfunktion oder einer Lookup-Tabelle.
In einem Beispiel kann der Elektromotor des Stellantriebs 4 als dreiphasiger Synchronmotor mit zwei Rotorpolpaaren vorgesehen sein. Die minimale Auflösung der Kommutierung beträgt dann 30° mechanischer Läuferlage. Dies entspricht auch der geforderten Auflösung der Läuferlageerkennung. Bei einem an- genommenen Untersetzungsverhältnis des Getriebes 5 von 1 :30 ist dann für eine ausreichende Diskriminierung der Läuferlage eine Auflösung des Stellungsdetektors 7 von 1 ° notwendig. Bei Inbetriebnahme des Stellgebersystems 1 liegt keine Zuordnung zwischen der
Stellungsangabe des Stellungsdetektors 7 und der tatsächlichen Läuferlage des Läufers 41 des Stellantriebs 4 vor. Es ist daher ein Kalibrierungsverfahren vorgesehen, das es ermöglicht, die Stellungsangaben in tatsächliche Läuferlagen umzuwandeln. Bei herkömmlichen Kalibrierungsverfahren für bürstenlose Elektro- motoren wird der Verfahrweg im gesteuerten Betrieb abgefragt und eine entsprechende Zuordnung zwischen einem Raumzeigerwinkel eines angelegten Motormagnetfelds und der zugehörigen Stellung des Läufers 41 aufgezeichnet. Dies erfolgt unter der Annahme, dass sich das Erregermagnetfeld im gesteuerten Betrieb direkt in Richtung des Motormagnetfelds ausrichtet.
In der Praxis wirken jedoch aufgrund von Reibungskräften, beispielsweise des Getriebes 5 oder des Stellglieds 6 oder einer Rückstellkraft, Gegenkräfte, die zu einer Abweichung der Richtung des Motormagnetfelds bezüglich der Richtung des Erregermagnetfelds im gesteuerten Betrieb führen. Auch kann, wie darge- stellt, das Stellglied 6 mit der Rückstellfeder 8 beaufschlagt sein, die zu einer erheblichen Abweichung der Ausrichtungen des Erregermagnetfelds und des Motormagnetfelds führen kann.
Um den Einfluss dieser Gegenkräfte in dem Kalibrierungsverfahren zu berücksichtigen und zu eliminieren, ist nun vorgesehen, für einen bestimmten Raumzeigerwinkel des den Stellantrieb 4 ansteuernden Kommutierungsmusters, das einem bestimmten Verhältnis der Phasenspannungen zueinander entspricht, zwei verschiedene Spannungsamplituden vorzusehen. Diese führen aufgrund der wirkenden Gegenkraft zu verschiedenen Stellungen des Stellglieds 6, die zu verschiedenen Stellungsangaben des Stellungsdetektors 7 führen.
Wie in Figur 3 dargestellt, wird der lineare Teil der in Figur 2 dargestellten Kurve dazu benutzt, um aus den zwei Messpunkten bei einer bestimmten Position des Raumzeigers bzw. einer bestimmten Richtung des Motormagnetfelds (bei unter- schiedlichen Stärken des Magnetfelds) die entsprechende Stellungsangabe Ui,
U2 zu ermitteln, beispielsweise in Form einer Detektorspannung, die vorliegen würde, wenn das Stellgebersystem 1 rückstellkraftfrei wäre, d. h. wenn keine Gegenkraft auf das Stellglied 6 einwirken würde. Dies ist möglich, da der Verlauf des Drehmoments bei einem bestimmten Motorstrom im Bereich eines Vorei- lungswinkels von 0° im Wesentlichen als linear angenommen werden kann. Daher gilt:
Figure imgf000013_0001
Μτ x TV! = M2 x TV2, wobei M1 ; M2 das Drehmoment pro Stromeinheit bzw. das Drehmoment pro Tastverhältnis angeben. \ l2 stellen Motorströme bei den Tastverhältnissen TV bzw. TV2 dar.
Die Stellungsangaben U1, U2 sind kleiner bei kleinerem Tastverhältnis TV. Je höher das Tastverhältnis TV ist, desto kräftiger ist der Stellantrieb 4 gegen Gegenkräfte. Mithilfe der Beziehung zwischen der Größe des Differenzwinkels Φ2 und den gemessenen Detektorspannungen U-i , U2 wird die kompensierte Stellungsangabe U0 bei einer Läuferlage berechnet. Dabei wird die kompensierte Stellungsangabe U0 von den bei verschiedenen Motorströmen gemessenen Stellungsangaben J-[ , U2 extrapoliert.
Bei einem herkömmlichen Stellgebersystem kann davon ausgegangen werden, dass das Drehmoment pro Motorstromeinheit bzw. pro Tastverhältniseinheit proportional zum Differenzwinkel zwischen dem Motormagnetfeld und dem Erregermagnetfeld ist. Es gilt:
Figure imgf000013_0002
Daraus folgt:
Φ1 x TV† = Φ2 x TV2
Da die Differenzwinkel Φ-ι, <&2 der Differenz der Detektorspannung zwischen der jeweils gemessenen Detektorspannung 1^ , U2 und der Detektorspannung U0, die bei einem rückstellkraftfreien Stellgebersystem 1 vorliegen würde, entsprechen, gilt: (Ui - Uo) x TVi = (U2 - Uo) x TV2
Daraus folgt:
U0 = (U, x TV! - U2 x TV2) / (TV-i - TV2)
Auf diese Weise kann dem momentan angelegten Motormagnetfeld bzw. der Richtung des momentan angelegten Motormagnetfelds eine Stellungsangabe in Form einer Detektorspannung U0 oder dergleichen zugeordnet werden, wodurch man eine Zuordnung einer der Richtung des Motormagnetfeldes entsprechenden Läuferlage und einer Stellungsangabe erhält.
Durch Überfahren des Raumzeigers zum Erzeugen des Motormagnetfelds so lange, bis sich das Stellglied über den gesamten Verstellbereich bewegt hat, ist es möglich, die Zuordnungen von Läuferlagen zu den Stellungsangaben des Stellungsdetektors 7 bei verschiedenen Motormagnetfeldrichtungen vorzunehmen. Die Läuferlagen erhält man nach obigem Verfahren durch Extrapolation auf eine Läuferlage, die sich ergäbe, wenn das Stellgebersystem gegenkraftfrei wäre.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Kalibrieren eines Stellgebersystems (1), wobei das Stellgebersystem (1) einen elektronisch kommutierten Stellantrieb (4) und ein damit gekoppeltes, gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied (6) aufweist, wobei eine Stellung des Stellglieds (6) detektiert wird, um eine Stellungsangabe zu erhalten, und wobei eine Kommutierung des Stellantriebs (4) zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage durchgeführt wird, mit folgenden Schritten:
- Ansteuern des Stellantriebs (4), so dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer ersten Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds (6);
- Ansteuern des Stellantriebs (4), so dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und Ermitteln einer zweiten Stellungs- angäbe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds (6), wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
- basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe, Ermitteln einer Stellungsangabe, die eine Stellung des Stellglieds (6) unter der An- nähme angibt, dass das Stellglied (6) nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist;
- Zuordnen der ermittelten Stellungsangabe zu einer Läuferlage, die der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ermitteln der Stellungsangabe, die eine Stellung des Stellglieds (6) unter der Annahme angibt, dass das Stellglied (6) nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist, für die Stellung des Stellglieds (6) für das gegenkraftlose Stellglied durch Extrapolieren, insbesondere durch lineares Extrapolieren, der ersten und der zweiten Stellungs- angäbe ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Extrapolieren auf einen Punkt erfolgt, bei dem die Stärke des Motormagnetfelds Null oder nahezu Null entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Stellantrieb (4) mit- hilfe von Phasenspannungen ansteuerbar ist, wobei die Stärke des Motormagnetfelds durch ein Tastverhältnis von an den Stellantrieb angelegten Phasenspannungen bestimmt wird und/oder wobei die Richtung des Motormagnetfelds durch das Verhältnis der Phasenspannungen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Richtung des ersten und des zweiten Motormagnetfelds umlaufend ist und wobei mehrere Zuordnungen der jeweils ermittelten Stellungsangabe zu den Läuferlagen, die den Richtungen des ersten und zweiten Motormagnetfelds entsprechen, durchgeführt werden.
Vorrichtung zum Kalibrieren eines Stellgebersystems (1), wobei das Stellgebersystem (1) einen elektronisch kommutierten Stellantrieb (4) und ein damit gekoppeltes, gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied (6) aufweist, wobei eine Stellung des Stellglieds (6) detektiert wird, um eine Stellungsangabe zu erhalten, und wobei eine Kommutierung des Stellantriebs (4) zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- den Stellantrieb (4) so anzusteuern, dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und eine erste Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln;
- den Stellantrieb (4) so anzusteuern, dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und eine zweite Stellungsangabe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln, wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
- basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe eine Stellungsangabe zu ermitteln, die eine Stellung des Stellglieds (6) unter der Annahme angibt, dass das Stellglied (6) nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist; - die ermittelte Stellungsangabe zu einer Läuferlage zuzuordnen, die der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.
Stellgebersystem (1) umfassend:
- einen elektronisch kommutierten Stellantrieb (4);
- ein gegenkraftbeaufschlagtes Stellglied (6), das mit dem Stellantrieb (4) gekoppelt ist;
- einen Stellungsdetektor (7), um eine Stellung des Stellglieds zu detektie- ren und eine Stellungsangabe, die die Stellung des Stellglieds (6) angibt, bereitzustellen,
- ein Steuergerät (3) zum Durchführen einer Kommutierung des Stellantriebs zum Erzeugen eines Motormagnetfelds basierend auf einer mithilfe der Stellungsangabe ermittelten Läuferlage;
- eine Vorrichtung zum Kalibrieren des Stellgebersystems (1), wobei die Vorrichtung das Steuergerät (3) veranlasst,
• den Stellantrieb (4) so anzusteuern, dass ein erstes Motormagnetfeld einer ersten Stärke generiert wird, und eine erste Stellungsangabe für die Stellung des auf das erste Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln;
• den Stellantrieb (4) so anzusteuern, dass ein zweites Motormagnetfeld einer zweiten Stärke generiert wird, und eine zweite Stellungsangabe für die Stellung des auf das zweite Motormagnetfeld ausgerichteten Stellglieds zu ermitteln, wobei die Richtungen des ersten und des zweiten Motormagnetfelds identisch sind;
und wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um
• basierend auf der ersten und der zweiten Stellungsangabe eine Stellungsangabe zu ermitteln, die eine Stellung des Stellglieds (6) unter der Annahme angibt, dass das Stellglied (6) nicht mit einer Gegenkraft beaufschlagt ist; und
• die ermittelte Stellungsangabe einer Läuferlage zuzuordnen, die der Richtung des ersten und zweiten Motormagnetfelds entspricht.
Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführt.
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