WO2020074200A1 - Aktorvorrichtung sowie verfahren zur kompensation eines magnetischen streufeldes bei einer aktorvorrichtung - Google Patents

Aktorvorrichtung sowie verfahren zur kompensation eines magnetischen streufeldes bei einer aktorvorrichtung Download PDF

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Andreas Rebelein
Joachim Vom Dorp
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Vitesco Technologies Germany Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an actuator device and a method for compensating for a stray field in such a gate device.
  • Actuator devices in particular linear actuators, are used today in particular where, for example, a controlled and controlled linear movement along a longitudinal direction is required.
  • linear actuators are used in the automotive industry in so-called "shift by wire” systems, in which they perform a linear movement for a gear change during operation.
  • linear actuators usually have a plunger which is essentially in the form of a pin and is surrounded by a so-called actuator coil.
  • the actuator coil is thus “wrapped around the tappet” with the formation of a gap between the actuator coil and the plunger.
  • the operation of the actuator is based on known electromagnetic considerations. During operation, the actuator coil is subjected to a control voltage and an electrical actuator current flowing within the actuator coil due to the control voltage generates an electromagnetic field in the vicinity of the actuator coil The generated electromagnetic field exerts a force on the plunger which moves due to the force in or against the longitudinal direction and thus executes the linear movement.
  • Such linear movements are usually precisely controllable, for example by the actuator current (indirectly) causing the linear movement (for example: by regulating the actuator voltage) is regulated.
  • actuator devices In order to obtain information about a current position of the plunger, such actuator devices usually have a position sensor.
  • the position sensors are often designed in such a way that they also use a (own, generated) magnetic field to determine the position of the plunger.
  • the disadvantage here is that the two fields (electromagnetic field of the actuator coil and magnetic field of the position sensor) can influence each other unintentionally.
  • the object of the invention is to provide an actuator device in which magnetic field-related disturbances are at least reduced.
  • the electromagnetic actuator device is designed in particular as a linear actuator and is also referred to in the following as an actuator device.
  • the actuator device has an actuator with at least one actuator coil for generating at least one electromagnetic field.
  • the actuator preferably has two actuator coils for generating two electromagnetic fields.
  • the actuator has a plunger which can be moved in and against a longitudinal direction as a function of the at least one generated magnetic field.
  • the plunger is in particular designed like a pin.
  • the actuator device has a sensor device which has a transmitter element and a sensor element.
  • the GE- The berelement is arranged on the plunger.
  • the sensor element is designed to generate a measurement signal as a function of a magnetic field generated by the transmitter element, which is detected by the sensor element during operation.
  • the measurement signal generated contains information about a current actual position of the ram along the longitudinal direction. This means that the sensor element detects different values (directions) of the magnetic field at different positions of the plunger, on the basis of which different measurement signals are then generated.
  • the actuator device has a control unit with a controller, which is set up to operate the at least one actuator coil for generating the at least one electromagnetic field with a control voltage in response to a position signal based on the measurement signal.
  • the position signal based on the measurement signal is understood here to mean that the actual position of the tappet can be inferred from the value of the measurement signal, which is then transmitted to the controller in the form of the position signal.
  • the application of the control voltage to the at least one actuator coil and the resulting generation of the at least one electromagnetic field serves to move the plunger, in particular move the plunger from the current actual position to a (predetermined) target position.
  • an (unwanted) magnetic stray field is generated by the actuator coil, which influences the measurement signal and consequently also the position signal (negative).
  • the control unit has a compensation device which is set up to determine a variable correlated with the magnetic stray field (also called variable for short) and to adapt the measurement signal as a function of this variable and adapt it to the Transmit controller.
  • the adaptation of the measurement signal takes place in such a way that the measurement signal is adapted based on the ascertained quantity in such a way that the influence caused by the stray field is taken into account, so that this is compensated for with respect to the measurement signal and consequently also the position signal.
  • This embodiment is based on the consideration that - as already mentioned - the sensor device, in particular the sensor element, in addition to the desired magnetic field, by means of which the position of the plunger is indirectly detected, the stray magnetic field is also detected by the sensor element, which occurs during operation of the actuator and interferes with the desired magnetic field.
  • the magnetic stray field for example, either increases the magnetic field of the transmitter element unintentionally (by constructively superimposing the magnetic stray field and the magnetic field) or unintentionally weakening it (by destructively superimposing the magnetic stray field and the magnetic field).
  • the size correlated with the magnetic stray field is a tor current flowing in the at least one actuator coil due to the control voltage. This configuration is based on the physical consideration that the magnetic stray field generated is proportional to the actuator current flowing within the actuator coil. Furthermore, the detection of the actuator current can be implemented simply and inexpensively from a technical point of view.
  • an estimation unit is further arranged in the control unit, which is set up to determine the actuator current on the basis of at least one state variable of the actuator. This determination is made, in particular, if the actuator current cannot be measured or cannot be measured continuously.
  • the estimation unit is particularly preferably set up to determine the actuator current in particular on the basis of at least one or more of the following state variables:
  • an actuator voltage e.g. duty cycle + operating voltage for PWM control.
  • the last detected actuator current is understood to mean, in particular, in the case of, for example, a temporary unavailability of the current measurement, the last measured current value at which the current measurement was still available.
  • the compensation device is expediently set up in such a way that it uses the correction function to determine a correction variable (for example a correction value or a correction factor) from the determined variable.
  • a correction variable for example a correction value or a correction factor
  • the measurement signal is then adjusted during operation in such a way that the correction signal is applied to the measurement signal, so that the influence due to the stray field is taken into account.
  • the correction function is in particular a function for determining the correction variable, which is dependent on the actuator current. That is, For different actuator currents that occur during operation, different correction variables for adapting the measurement signal are determined.
  • a functional association between actuator current values and a respective position of the plunger is stored in a table.
  • This table is then stored, for example, in an internal memory of the control unit - which can be called up during operation.
  • the correction variable determined on the basis of the correction function is corrected with calibration values.
  • the calibration values are preferably an offset and / or a gain factor.
  • This configuration has the advantage that effects due to the ratio of the magnetic field and the electromagnetic Stray field and / or a gain error of the actuator current measurement can be equalized by the offset or the gain factor and the compensation is thereby advantageously influenced.
  • the transmitter element is expediently designed as a permanent magnet. This results in a particularly simple and inexpensive configuration of the transmitter element with regard to the generation of the magnetic field.
  • the sensor element is expediently used as a magnetic field sensor, for example as a
  • the receiving unit is designed as a magnetoresistive sensor.
  • the receiving unit is designed as a magnetic field sensor, a particularly simple and inexpensive configuration of the sensor element is achieved, analogously to the configuration of the transmitter element as a permanent magnet.
  • the complete sensor device with the transmitter element and the sensor element is thus implemented simply and inexpensively.
  • the transmitter element is arranged on the plunger in such a way that the direction of the magnetic field generated by the transmitter element and the direction of the magnetic stray field at a measurement position at which the sensor element is arranged are essentially rectified (thus a constructive one) Overlapping of the two fields results).
  • This embodiment is based on the consideration that the directions of the magnetic stray field and the magnetic field are superimposed in the form of a vector addition to form a resulting field.
  • the sensor element designed as a Hall sensor or a magnetoresistive sensor requires a minimum value for the magnetic flux, so that an output signal, here the measurement signal, is generated becomes.
  • the sensor element detects a measurement signal at all. Furthermore, this makes it much easier to adapt the measurement signal to generate the position signal compared to, for example, an opposite orientation of the directions of the two fields (magnetic field and magnetic stray field).
  • the object is further achieved according to the invention by a method for compensating a magnetic stray field in an actuator device with the features of claim 10.
  • the actuator device is in particular the actuator device already described above.
  • the method is in particular a method which is carried out by means of the actuator device described above.
  • the process comprises the following steps:
  • variable correlated with the magnetic stray field is recorded by means of a compensation unit.
  • the variable correlated with the magnetic stray field is preferably the actuator current flowing through the at least one actuator coil during operation.
  • a correction size is now generated.
  • the generation is preferably carried out by means of a correction function as a function of the detected variable
  • the acquired measurement signal is then adjusted by applying the generated correction variable to it.
  • the position signal is then generated on the basis of the adapted measurement signal and transmitted to the controller, so that a current actual position of the plunger is adapted by means of the position signal on the basis of the adapted measurement signal.
  • the influence caused by the stray field is thus compensated and the plunger is thereby moved from the actual position, preferably without deviation, into a predetermined desired position.
  • a correction value is preferably determined by means of the compensation device from the ascertained quantity using a correction function.
  • the measurement signal is adapted on the basis of the correction variable, the correction variable determined using the correction function being corrected using calibration values.
  • the calibration values are preferably an offset and / or a gain factor.
  • the plunger is moved into predetermined and, in particular, known calibration positions to determine the calibration values.
  • These known calibration positions are in particular the two end positions of the ram. Under the end positions, the position in and against the longitudinal direction was the ver that the plunger assumes at a maximum deflection.
  • the position of the plunger in the two end positions is determined once with the actuator energized, ie with the presence of the magnetic stray field, and once with the actuator deenergized
  • No magnetic stray field is determined.
  • This determination has the advantage that a deviation of the measurement signal which contains information about the current actual position of the ram, can be easily and precisely recorded. That is, by detecting the position of the plunger when the actuator is not energized, there is no disturbing stray field, so that the sensor device delivers an exact value of the position of the plunger. By measuring the measurement signal with the actuator energized, but with the plunger in an unchanged position, the measurement signal influenced by the stray field can be detected. A comparison of these two measurement signals thus provides a difference to be compensated, i.e. the influence due to the stray field.
  • a correction quantity is then generated on the basis of the correction function and the measurement signal, which represents the position of the plunger in one of the two end positions, is acted upon with the correction quantity.
  • the measurement signal adapted by means of the correction function is compared again with the measurement signal actually recorded (that is to say ascertained when the actuator is deenergized), and a possible offset and the gain factor are determined from this.
  • Fig. 1 shows an actuator device with an actuator and a control unit.
  • the electromagnetic actuator device 2 hereinafter also referred to as actuator device 2 for the sake of simplicity, has an actuator 4.
  • the actuator 4 has at least one actuator coil 6 for generating at least one electromagnetic field.
  • the actuator 4 has a plunger 8 which can be moved in and against a longitudinal direction L as a function of the at least one generated electromagnetic field.
  • the plunger 8 is designed like a pin in the exemplary embodiment.
  • the actuator device 2 has a sensor device 10.
  • the sensor device 10 has a transmitter element 12 and a sensor element 14.
  • the encoder element 12 is arranged in the exemplary embodiment on the plunger 8.
  • the transmitter element 12 is arranged in the exemplary embodiment at an upper end 16 of the plunger 8.
  • Sensor element 14 is designed to generate a measurement signal S M as a function of a magnetic field 18 generated by transmitter element 12.
  • the measurement signal S M contains information about a current actual position of the plunger 8 along the longitudinal direction L.
  • the transmitter element 12 is designed as a permanent magnet.
  • the sensor element 14 is designed as a Hall sensor.
  • the actuator device 2 has a control unit 20.
  • the control unit 20 has a controller 22.
  • the controller 22 is set up to apply a control voltage U A to the at least one actuator coil 6 in order to generate the at least one electro-magnetic field, depending on a position signal S P based on the measurement signal S M.
  • the controller 22 is used, for example by means of a Power driver 24, in the embodiment of a voltage source, connected so that the drive voltage U A can be provided.
  • the plunger 8 from a momentary actual position to proceed as n predetermined target position in a, for example in the form of a signal S.
  • the target position is transmitted to controller 22, for example, as an input variable.
  • a magnetic stray field 26 is generated by the actuator coil 6. This influences the measurement signal S M in such a way that a position-accurate control of the actual position into the target position is subject to errors.
  • the control unit 20 in the exemplary embodiment a compensation device 28.
  • the compensation device 28 is set up to determine a quantity G correlated with the magnetic stray field 26 and to adapt the measurement signal S M as a function of this quantity and to transmit it to the controller 22.
  • an actuator current I A flowing due to the control voltage in the at least one actuator coil 6 is used in the exemplary embodiment.
  • the measurement signal S M is adapted in such a way that the stray field-induced influence on the measurement signal S M is compensated for. That is, Due to the compensation by the compensation device 28, the controller 22 receives a position signal S P based on the measurement signal S M , which is not influenced by the magnetic stray field 26. In other words, there is a position signal S P based on the measurement signal S M , as if there were no interfering magnetic stray field 26.
  • the measurement of the quantity G correlated with the magnetic stray field 26, in the exemplary embodiment of the armature current I A, takes place in the Embodiment, for example, by means of a current measuring unit 30, which is connected to the compensation unit 28 in addition to the transmission of the armature current I A.
  • the control unit 20 has an estimation unit 32.
  • the estimation unit 32 is set up to determine the quantity G correlated with the magnetic stray field 26 on the basis of other state variables Z of the actuator 4.
  • these other state variables Z are also expediently correlated with the armature current I A and thus also in correlation with the magnetic stray field 26.
  • the other state variables are thus, for example, the armature current I A measured last, the control voltage U A , an actuator temperature, a measured or estimated electrical resistance and / or a measured or estimated inductance of the at least one actuator coil 6 and, for example, an approximate position and / or speed of the plunger 8.

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Abstract

Es wird eine elektromagnetische Aktorvorrichtung (2), insbesondere ein Linearaktor angegeben, die aufweist: - einen Aktor (4) mit zumindest einer Aktorspule (6) zur Erzeugung zumindest eines elektromagnetischen Feldes sowie mit einem in Abhängigkeit des zumindest einen erzeugten elektromagnetischen Feldes in und entgegen einer Längsrichtung (L) verfahrbaren Stößel (8), - eine Sensoreinrichtung (10), die ein Geberelement (12) und ein Sensorelement (14) aufweist, wobei das Geberelement (12) an dem Stößel (8) angeordnet ist und das Sensorelement (14) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von dem Geberelement (12) erzeugten Magnetfelds (18) ein Messsignal (SM) zu erzeugen, welches eine Information über eine aktuelle Ist-Position des Stößels (8) entlang der Längsrichtung (L) enthält sowie - eine Regelungseinheit (20) mit einem Regler (22), der derart eingerichtet ist, im Betrieb in Abhängigkeit eines Positionssignals (SP) auf Basis des Messsignals (SM) die zumindest eine Aktorspule (6) zur Erzeugung des zumindest einen elektromagnetischen Feldes mit einer Ansteuerspannung (UA) zu beaufschlagen, sodass der Stößel (8) aus der aktuellen Ist-Position in eine Soll-Position verfährt, wobei im Betrieb von der zumindest einen Aktorspule (6) ein magnetisches Streufeld (26) erzeugt wird, eine Anpassung des Messsignals (SM) derart erfolgt, dass die streufeldbedingte Beeinflussung des Messsignals (SM) kompensiert ist.

Description

Beschreibung
Aktorvorrichtung sowie Verfahren zur Kompensation eines mag netischen Streufeldes bei einer Aktorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Kompensation eines Streufeldes bei einer derartigen Ak torvorrichtung .
Aktorvorrichtungen, insbesondere Linearaktoren, werden heut zutage insbesondere dort eingesetzt, wo beispielsweise eine gesteuerte und kontrollierte Linearbewegung entlang einer Längsrichtung erforderlich ist. Beispielsweise sind derartige Linearaktoren in der Automobilindustrie in sogenannten „Shift by Wire"-Systemen eingesetzt, in denen sie im Betrieb eine Li nearbewegung für einen Gangwechsel ausführen.
Linearaktoren weisen üblicherweise in einem einfachsten Aufbau einen im Wesentlichen stiftartig ausgebildeten Stößel auf, der von einer sogenannten Aktorspule umgeben ist. Die Aktorspule ist also unter Ausbildung eines Spaltes zwischen Aktorspule und Stößel „um den Stößel gewickelt". Die Funktionsweise des Aktors beruht auf bekannten elektromagnetischen Überlegungen. Hierbei wird im Betrieb die Aktorspule mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt und ein aufgrund der Ansteuerspannung innerhalb der Aktorspule fließender elektrischer Aktorstrom erzeugt ein elektromagnetisches Feld im Nahbereich der Aktorspule. Das erzeugte elektromagnetische Feld übt eine Kraft auf den Stößel aus, der sich aufgrund der Kraft in oder entgegen der Längs richtung verfährt und somit die Linearbewegung ausführt.
Derartige Linearbewegungen sind üblicherweise genau steuerbar, beispielsweise indem der (indirekt) für die Linearbewegung ursächliche Aktorstrom (z.B: durch Regelung der Aktorspannung) geregelt wird. Um eine Information über eine aktuelle Position des Stößels zu erhalten, weisen derartige Aktorvorrichtung üblicherweise einen Positionssensor auf. Häufig sind die Po sitionssensoren derart ausgebildet, dass sie ebenfalls auf ein (eigenes, erzeugtes) Magnetfeld zur Positionsbestimmung des Stößels zurückgreifen. Der Nachteil hierbei ist, dass sich die beiden Felder (elektromagnetisches Feld der Aktorspule und Magnetfeld des Positionssensors) ungewollt gegenseitig be einflussen können.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Aktorvorrichtung anzugeben, bei der magnetfeldbedingte Stö rungen zumindest reduziert sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektro magnetische Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die elektromagnetische Aktorvorrichtung ist insbesondere als ein Linearaktor ausgebildet und wird im Folgenden auch kurz als Aktorvorrichtung bezeichnet.
Die Aktorvorrichtung weist einen Aktor mit zumindest einer Aktorspule zur Erzeugung zumindest eines elektromagnetischen Feldes auf. Bevorzugt weist der Aktor zwei Aktorspulen zur Erzeugung von zwei elektromagnetischen Feldern auf. Weiterhin weist der Aktor einen in Abhängigkeit des zumindest einen erzeugten magnetischen Feldes in und entgegen einer Längs richtung verfahrbaren Stößel auf. Der Stößel ist insbesondere stiftartig ausgebildet.
Zudem weist die Aktorvorrichtung eine Sensoreinrichtung auf, die ein Geberelement und ein Sensorelement aufweist. Das Ge- berelement ist hierbei an dem Stößel angeordnet. Das Senso relement ist derart ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Geberelement erzeugten Magnetfelds, welches im Betrieb von dem Sensorelement erfasst wird, ein Messsignal zu erzeugen. Das erzeugte Messsignal enthält hierbei eine Information über eine aktuelle Ist-Position des Stößels entlang der Längsrichtung. D.h. das Sensorelement erfasst bei unterschiedlichen Positionen des Stößels unterschiedliche Werte (Richtungen) des Magnet feldes, aufgrund dessen dann unterschiedliche Messsignale erzeugt werden.
Weiterhin weist die Aktorvorrichtung eine Regelungseinheit mit einem Regler auf, der derart eingerichtet ist, im Betrieb in Abhängigkeit eines Positionssignals auf Basis des Messsignals die zumindest eine Aktorspule zur Erzeugung des zumindest einen elektromagnetischen Feldes mit einer Ansteuerspannung zu be aufschlagen. Unter dem Positionssignal auf Basis des Messsignals wird hierbei verstanden, dass aufgrund des Wertes des Messsignals auf die Ist-Position des Stößels geschlossen werden kann, die dann in Form des Positionssignals an den Regler übermittelt wird. Die Beaufschlagung der zumindest einen Aktorspule mit der Ansteuerspannung und die hieraus resultierende Erzeugung des zumindest einen elektromagnetischen Feldes dient einem Verfahren des Stößels, insbesondere einem Verfahren des Stößels aus der aktuellen Ist-Position in eine (vorgegebene) Soll-Position.
Im Betrieb wird von der Aktorspule ein (ungewolltes) magnetisches Streufeld erzeugt, welches das Messsignal und folglich auch das Positionssignal (negativ) beeinflusst.
Die Regelungseinheit weist eine Kompensationseinrichtung auf, die derart eingerichtet ist, eine mit dem magnetischen Streufeld korrelierte Größe (auch kurz Größe genannt) zu ermitteln und in Abhängigkeit dieser Größe das Messsignal anzupassen und an den Regler zu übermitteln. Die Anpassung des Messsignals erfolgt dabei derart, dass das Messsignal anhand der ermittelten Größe derart angepasst wird, dass die streufeldbedingte Beeinflussung berücksichtigt wird, sodass diese bezüglich des Messsignals und folglich auch des Positionssignals kompensiert ist.
Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass - wie bereits erwähnt - die Sensoreinrichtung, insbesondere das Sensorelement neben dem erwünschten Magnetfeld, mittels dessen indirekt die Stellung des Stößels erfasst wird, auch das magnetische Streufeld von dem Sensorelement erfasst wird, welches im Betrieb des Aktors entsteht und das erwünschte Magnetfeld störend überlagert. D.h. durch das magnetische Streufeld ist das Magnetfeld des Geberelements beispielsweise entweder ungewollt verstärkt (durch eine konstruktive Über lagerung des magnetischen Streufeldes und des Magnetfeldes) oder ungewollt abgeschwächt (durch eine destruktive Überlagerung des magnetischen Streufeldes und des Magnetfeldes) . In beiden Überlagerungsfällen führt dies zu einer streufeldbedingten Beeinflussung des Messsignals sowie folglich auch des Posi tionssignals und der Regler erhält somit eine falsche Information über die aktuelle Ist-Position des Stößels. Eine positionsgenaue Regelung der Stößelposition ist hierdurch negativ beeinflusst.
Durch die Ermittlung der mit dem magnetischen Streufeld kor relierten Größe seitens der Kompensationseinrichtung und der Anpassung des Messsignals in Abhängigkeit dieser Größe, ist die unerwünschte Überlagerung des magnetischen Streufeldes mit dem Magnetfeld derart kompensiert, dass eine hinreichend genaue Regelung der Position des Stößels erreicht ist. Die insbesondere störende Wirkung des magnetischen Streufeldes ist somit vor zugsweise gänzlich kompensiert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mit dem magne tischen Streufeld korrelierte Größe ein aufgrund der Ansteu erspannung in der zumindest einen Aktorspule fließender Ak torstrom. Diese Ausgestaltung beruht auf der physikalischen Überlegung, dass das erzeugte magnetische Streufeld proportional zu dem innerhalb der Aktorspule fließenden Aktorstroms ist. Weiterhin ist die Erfassung des Aktorstroms aus technischer Sicht einfach und kostengünstig realisierbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist in der Regelungs einheit weiterhin eine Schätzeinheit angeordnet, die derart eingerichtet ist, den Aktorstrom anhand zumindest einer Zu standsgröße des Aktors zu ermitteln. Diese Ermittlung erfolgt, insbesondere dann, wenn der Aktorstrom nicht oder nicht durchgängig gemessen werden kann.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Schätzeinheit derart eingerichtet, den Aktorstrom insbesondere anhand zumindest einer oder mehrerer der folgenden Zustandsgrößen zu ermitteln:
- letzter erfasster Aktorstrom,
- Aktortemperatur,
- elektrischer Widerstand der zumindest einen Aktorspule,
- Induktivität der zumindest einen Aktorspule,
- Position und Geschwindigkeit des Stößels sowie
- einer Aktorspannung (z.B. Dutycycle + Betriebsspannung bei einer PWM-Ansteuerung) .
Unter dem letzten, erfassten Aktorstrom wird hierbei insbe sondere, bei einer zum Beispiel temporären Nichtverfügbarkeit der Strommessung, der letzte gemessene Stromwert verstanden, bei dem die Strommessung noch verfügbar war. Zweckdienlicherweise ist die Kompensationseinrichtung derart eingerichtet, dass sie aus der ermittelten Größe anhand einer Korrekturfunktion eine Korrekturgröße (z.B. ein Korrekturwert oder ein Korrekturfaktor) ermittelt. Anhand der Korrekturgröße wird dann im Betrieb das Messsignal derart angepasst, dass das Messsignal mit der Korrekturgröße beaufschlagt wird, sodass die streufeldbedingte Beeinflussung berücksichtigt wird. Bei der Korrekturfunktion handelt es sich hierbei insbesondere um eine vom Aktorstrom abhängige Funktion zur Ermittlung der Korrek turgröße. D. h. für unterschiedliche im Betrieb auftretende Aktorströme werden unterschiedliche Korrekturgrößen zur An passung des Messsignals ermittelt . Hierdurch kann im Hinblick auf die Anpassung des Messsignals - und somit im Hinblick auf die Kompensation des das Magnetfeld störend überlagerten elekt romagnetischen Streufeldes - auf unterschiedliche Aktorströme reagiert werden . Zudem ist hierdurch erreicht, dass die Anpassung des Messsignals - unabhängig einer Höhe des fließenden Ak torstroms - jeweils hinreichend genau erfolgt.
Alternativ zu der Ermittlung der Korrekturgröße anhand der Korrekturfunktion und der dahingehenden Anpassung des Mess signals, ist eine funktionelle Zuordnung zwischen Aktor stromwerten und einer jeweiligen Position des Stößels in einer Tabelle hinterlegt. Diese Tabelle ist dann beispielsweise auf einem internen Speicher der Regelungseinheit - im Betrieb abrufbar - hinterlegt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die anhand der Korrekturfunktion ermittelte Korrekturgröße mit Kalibrierwerten korrigiert. Bei den Kalibrierwerten handelt es sich hierbei vorzugsweise um einen Offset und/oder einen Verstärkungsfaktor.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Auswirkungen aufgrund des Verhältnisses des Magnetfeldes und des elektromagnetischen Streufeldes und/oder einen Verstärkungsfehler der Aktor strommessung durch den Offset bzw. den Verstärkungsfaktor egalisiert werden und dadurch die Kompensation vorteilhaft beeinflusst wird.
Zweckdienlicherweise ist das Geberelement als ein Dauermagnet ausgebildet. Hierdurch ist eine besonders einfache und kos tengünstige Ausgestaltung des Geberelements im Hinblick auf die Erzeugung des Magnetfeldes erreicht.
Weiterhin zweckdienlicherweise ist das Sensorelement als ein Magnetfeldsensor, beispielsweise als ein
(Mehr-Achsen- ) Hall-Sensor ausgebildet. Alternativ ist die Empfangseinheit als ein magnetoresistiver Sensor ausgebildet. Durch die Ausbildung der Empfangseinheit als Magnetfeldsensor ist - analog zu der Ausgestaltung des Geberelements als Dau ermagnet - eine besonders einfache und kostengünstige Ausge staltung des Sensorelements erreicht. Zusammenfassend ist somit die komplette Sensoreinrichtung mit dem Geberelement und dem Sensorelement einfach und kostengünstig realisiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Geberelement derart an dem Stößel angeordnet, dass die Richtung des von dem Geberelement erzeugten Magnetfelds und die Richtung des mag netischen Streufeldes an einer Messposition, an der das Sen sorelement angeordnet ist, im Wesentlichen gleichgerichtet sind (somit also eine konstruktive Überlagerung der beiden Felder resultiert) . Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass sich die Richtungen des magnetischen Streufeldes und des Magnetfeldes In Form einer Vektoraddition zu einem resultie renden Feld überlagern. Zudem erfordert das beispielsweise als ein Hallsensor oder als ein magnetoresistiver Sensor ausge bildete Sensorelement eine Mindestwert für den magnetischen Fluss, sodass ein Ausgangssignal, hier das Messsignal, erzeugt wird. Bei einer im Wesentlichen Gleichrichtung der Richtungen des erzeugten Magnetfelds und des magnetischen Streufeldes ist somit (durch den Betrag des resultierenden Feldes) zum einen si chergestellt, dass von dem Sensorelement überhaupt ein Mess signal erfasst wird. Weiterhin ist hierdurch eine Anpassung des Messsignals zur Erzeugung des Positionssignals im Vergleich zu einer beispielsweise einander entgegen gerichteten Ausrichtung der Richtungen der beiden Felder (Magnetfeld und magnetisches Streufeld) deutlich vereinfacht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation eines magnetischen Streufeldes bei einer Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bei der Aktorvorrichtung handelt es sich hierbei insbesondere um die bereits vorstehend beschriebene Aktorvorrichtung.
Die im Hinblick auf die Aktorvorrichtung aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
Bei dem Verfahren handelt es sich insbesondere um ein Verfahren, welches mittels der vorstehend beschriebenen Aktorvorrichtung durchgeführt wird. Hierbei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte :
Zunächst wird eine mit dem magnetischen Streufeld korrelierte Größe mittels einer Kompensationseinheit erfasst. Bei der mit dem magnetischen Streufeld korrelierten Größe handelt es sich hierbei vorzugsweise um den durch die zumindest eine Aktorspule im Betrieb fließenden Aktorstrom.
Auf Basis der erfassten Größe, wird nun eine Korrekturgröße erzeugt. Die Erzeugung erfolgt hierbei vorzugsweise mittels einer Korrekturfunktion in Abhängigkeit der erfassten Größe Anschließend erfolgt eine Anpassung des erfassten Messsignals, in dem dieses mit der erzeugten Korrekturgröße beaufschlagt wird.
Auf Basis des angepassten Messsignals wird anschließend das Positionssignal erzeugt und an den Regler übermittelt, sodass eine aktuelle Ist-Position des Stößels mittels des Positi onssignals auf Grundlage des angepassten Messsignals angepasst wird. Durch die Anpassung des Messsignals wird somit die streufeldbedingte Beeinflussung kompensiert und der Stößel hierdurch von der Ist-Position vorzugsweise abweichungsfrei in eine vorgegebene Soll-Position verfahren.
Bevorzugt wird mittels der Kompensationseinrichtung aus der ermittelten Größe anhand einer Korrekturfunktion eine Kor rekturgröße ermittelt. Anhand der Korrekturgröße wird das Messsignal angepasst, wobei die anhand der Korrekturfunktion ermittelte Korrekturgröße mit Kalibrierwerten korrigiert wird. Bei den Kalibrierwerten handelt es sich hierbei vorzugsweise um einen Offset und/oder einen Verstärkungsfaktor.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird zur Bestimmung der Kalibierwerte der Stößel in vorgegebene und insbesondere bekannte Kalibrierpositionen verfahren. Bei diesen bekannten Kalibrierpositionen handelt es sich insbesondere um die beiden Endpositionen des Stößels. Unter den Endpositionen wird hierbei jeweils die Position in und entgegen der Längsrichtung ver standen, die der Stößel bei einer maximalen Auslenkung einnimmt.
Die Position des Stößels in den beiden Endpositionen wird einmal mit bestromtem Aktor, also mit Vorliegen des magnetischen Streufeldes und einmal mit unbestromtem Aktor, also bei
Nicht-Vorliegen des magnetischen Streufeldes ermittelt. Diese Ermittlung hat den Vorteil, dass eine Abweichung des Messsignals, welches eine Information über die aktuelle Ist-Position des Stößels enthält, einfach und genau erfasst werden kann. D. h. durch die Erfassung der Position des Stößels bei unbestromtem Aktor liegt kein störendes Streufeld vor, sodass die Sen soreinrichtung einen exakten Wert der Position des Stößels liefert. Durch die Erfassung des Messsignals mit bestromtem Aktor, jedoch bei einer unveränderten Position des Stößels, kann das durch das Streufeld beeinflusste Messsignal erfasst werden. Ein Vergleich dieser beiden Messsignale liefert somit eine zu kompensierende Differenz, also die streufeldbedingte Beein flussung .
Ergänzend wird anschließend auf Basis der Korrekturfunktion eine Korrekturgröße erzeugt und das Messsignal, welches stellver tretend für die Position des Stößels in einer der beiden Endpositionen steht, mit der Korrekturgröße beaufschlagt.
Hierdurch ist eine korrekturfunktionsbedingte Kompensation der zuvor genannten Differenz erreicht. Abschließend und weiterhin ergänzend wird das mittels der Korrekturfunktion angepasste Messsignal nochmals mit dem tatsächlich erfassten (also bei unbestromtem Aktor ermittelten) Messsignal verglichen, und hieraus ein möglicher Offset und weiterhin der Verstärkungs faktor ermittelt.
Aufgrund dessen, dass die beiden Endpositionen und somit die jeweilige Extrem-Position in und entgegen der Längsrichtung des Stößels auf eine derartige Weise kalibriert wurden, kann somit die Kalibrierung zur Anpassung des Messsignals auf alle sich zwischen diesen beiden Extrem-Positionen befindlichen Posi tionen des Stößels angewandt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt teilweise in stark vereinfachter Darstellung: Fig. 1 eine Aktorvorrichtung mit einem Aktor und einer Regelungseinheit .
Die elektromagnetische Aktorvorrichtung 2, nachfolgend der Einfachheit halber auch kurz als Aktorvorrichtung 2 bezeichnet, weist einen Aktor 4 auf. Der Aktor 4 weist zumindest eine Aktorspule 6 zur Erzeugung zumindest eines elektromagnetischen Feldes auf. Weiterhin weist der Aktor 4 einen in Abhängigkeit des zumindest einen erzeugten elektromagnetischen Feldes in und entgegen einer Längsrichtung L verfahrbaren Stößel 8 auf. Der Stößel 8 ist im Ausführungsbeispiel stiftartig ausgebildet.
Zudem weist die Aktorvorrichtung 2 eine Sensoreinrichtung 10 auf . Die Sensoreinrichtung 10 weist ein Geberelement 12 sowie ein Sensorelement 14 auf. Das Geberelement 12 ist im Ausfüh rungsbeispiel an dem Stößel 8 angeordnet. Speziell ist das Geberelement 12 im Ausführungsbeispiel an einem oberen Ende 16 des Stößels 8 angeordnet. Das Sensorelement 14 ist derart ausgebildet, in Abhängigkeit eines von dem Geberelement 12 erzeugten Magnetfelds 18 ein Messsignal SM zu erzeugen. Das Messsignal SM enthält eine Information über eine aktuelle Ist-Position des Stößels 8 entlang der Längsrichtung L. Im Ausführungsbeispiel ist das Geberelement 12 als ein Dauermagnet ausgebildet. Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel das Senso relement 14 als ein Hall-Sensor ausgebildet.
Weiterhin weist die Aktorvorrichtung 2 eine Regelungseinheit 20 auf. Die Regelungseinheit 20 weist einen Regler 22 auf. Der Regler 22 ist derart eingerichtet, im Betrieb in Abhängigkeit eines Positionssignals SP auf Basis des Messsignals SM die zumindest eine Aktorspule 6 zur Erzeugung des zumindest einen elektro magnetischen Feldes mit einer Ansteuerspannung UA zu beauf schlagen. Hierzu ist der Regler 22, beispielsweise mittels eines Leistungstreibers 24, im Ausführungsbeispiel einer Span nungsquelle, verbunden, sodass die Ansteuerspannung UA be reitgestellt werden kann. Durch die Regelungseinheit 20 ist es ermöglicht, den Stößel 8 aus einer momentanen Ist-Position in eine, beispielsweise in Form eines Signals Sson vorgegebene Soll-Position zu verfahren. Die Soll-Position wird hierbei beispielsweise als eine Eingangsgröße an den Regler 22 über mittelt .
Im Betrieb der Aktorvorrichtung 2 wird von der Aktorspule 6 ein magnetisches Streufeld 26 erzeugt. Dieses beeinflusst das Messsignal SM dahingehend, dass eine positionsgenaue Regelung der Ist-Position in die Soll-Position fehlerbehaftet ist.
Um diese Fehlerbehaftung zu kompensieren, weist die Rege lungseinheit 20, im Ausführungsbeispiel eine Kompensations einrichtung 28 auf. Die Kompensationseinrichtung 28 ist derart eingerichtet, eine mit dem magnetischen Streufeld 26 korrelierte Größe G zu ermitteln und in Abhängigkeit dieser Größe das Messsignal SM anzupassen und an den Regler 22 zu übermitteln. Als mit dem magnetischen Streufeld 26 korrelierte Größe G, wird im Ausführungsbeispiel ein aufgrund der Ansteuerspannung in der zumindest einen Aktorspule 6 fließender Aktorstrom IA heran gezogen. Die Anpassung des Messsignals SM erfolgt, derart, dass die streufeldbedingte Beeinflussung des Messsignals SM kom pensiert wird. D. h. aufgrund der Kompensation durch die Kompensationseinrichtung 28 erhält der Regler 22 ein Positi onssignal SP auf Basis des Messsignals SM, welches nicht durch das magnetische Streufeld 26 beeinflusst ist. Mit anderen Worten liegt ein Positionssignal SP auf Basis des Messsignals SM vor, wie wenn kein störendes magnetisches Streufeld 26 vorhanden wäre.
Die Messung der mit dem magnetischen Streufeld 26 korrelierten Größe G, im Ausführungsbeispiel des Ankerstroms IA erfolgt im Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels einer Strommess einheit 30, welche zusätzlich zur Übermittlung des Ankerstroms IA mit der Kompensationseinheit 28 verbunden ist.
Sofern die direkte Ermittlung der mit dem magnetischen Streufeld 26 korrelierten Größe G nicht oder temporär nicht erfasst werden kann, weist die Regelungseinheit 20 eine Schätzeinheit 32 auf. Die Schätzeinheit 32 ist derart eingerichtet, die mit dem magnetischen Streufeld 26 korrelierte Größe G anhand anderer Zustandsgrößen Z des Aktors 4 zu ermitteln. Diese anderen Zustandsgrößen Z stehen im Ausführungsbeispiel zweckdienli cherweise ebenfalls in einer Korrelation zu dem Anker Strom IA und somit ebenfalls in Korrelation zu dem magnetischen Streufeld 26. Bei den anderen Zustandsgrößen handelt es sich somit beispielsweise um den zuletzt gemessenen Ankerstrom IA, um die Ansteuerspannung UA, um eine Aktortemperatur, um eine gemessenen oder geschätzten elektrischen Widerstand und/oder eine gemessene oder geschätzte Induktivität der zumindest einen Aktorspule 6 sowie beispielsweise um eine ungefähre Position und/oder Ge schwindigkeit des Stößels 8.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Aus führungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Va rianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel be schriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
2 elektromagnetische Aktorvorrichtung 4 Aktor
6 Aktorspule
8 Stößel
10 Sensoreinrichtung
12 Geberelement
14 Sensorelement
16 oberes Ende
18 Magnetfeld
20 Regelungseinheit
22 Regler
24 Leistungstreiber
26 magnetisches Streufeld
28 Kompensationseinrichtung
30 Strommesseinheit
32 Schätzeinheit
L Längsrichtung
SM Messsignal
Ssoii Soll-Positions-Signal
SP Positionssignal
IA Ankerstrom
G Größe
UA Ansteuerspannung
Z Zustandsgröße

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetische Aktorvorrichtung (2), insbesondere
Linearaktor, die aufweist:
- einen Aktor (4) mit zumindest einer Aktorspule (6) zur Erzeugung zumindest eines elektromagnetischen Feldes sowie mit einem in Abhängigkeit des zumindest einen erzeugten elektromagnetischen Feldes in und entgegen einer Längs richtung (L) verfahrbaren Stößel (8),
- eine Sensoreinrichtung (10), die ein Geberelement (12) und ein Sensorelement (14) aufweist, wobei das Geberelement (12) an dem Stößel (8) angeordnet ist und das Sensorelement (14) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines von dem Geberelement (12) erzeugten Magnetfelds (18) ein Messsignal (SM) ZU erzeugen, welches eine Information über eine aktuelle Ist-Position des Stößels (8) entlang der Längsrichtung (L) enthält sowie
- eine Regelungseinheit (20) mit einem Regler (22), der derart eingerichtet ist, im Betrieb in Abhängigkeit eines Positionssignals (SP) auf Basis des Messsignals (SM) die zumindest eine Aktorspule (6) zur Erzeugung des zumindest einen elektromagnetischen Feldes mit einer Ansteuerspannung (UA) ZU beaufschlagen, sodass der Stößel (8) aus der ak tuellen Ist-Position in eine Soll-Position verfährt, wobei
im Betrieb von der zumindest einen Aktorspule (6) ein magnetisches Streufeld (26) erzeugt wird, welches das Messsignal (SM) beeinflusst, und wobei
die Regelungseinheit (20) eine Kompensationseinrichtung (28) aufweist, die derart eingerichtet ist, eine mit dem magnetischen Streufeld (26) korrelierte Größe (G) zu er mitteln und in Abhängigkeit dieser Größe (G) das Messsignal (SM) anzupassen und an den Regler (22) zu übermitteln, wobei die Anpassung des Messsignals (SM) derart erfolgt, dass die streufeldbedingte Beeinflussung des Messsignals (SM) kompensiert ist.
2. Aktorvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mit dem magnetischen Streufeld (26) korrelierte Größe (G) ein aufgrund der Ansteuerspannung (UA) in der zumindest einen Aktorspule fließender Aktorstrom (IA) ist.
3. Aktorvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei weiterhin eine Schätzeinheit (32) in der Rege lungseinheit (20) angeordnet ist, die derart eingerichtet ist, die mit dem magnetischen Streufeld (26) korrelierte Größe (G) , vorzugsweise den Aktorstrom (IA), anhand zu mindest einer Zustandsgröße (Z) des Aktors (4) zu ermitteln.
4. Aktorvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schätzeinheit (32) derart eingerichtet ist, die mit dem magnetischen Streufeld (26) korrelierte Größe (G) , vorzugsweise den Aktorstrom (IA) insbesondere anhand zumindest einer der folgenden Zustandsgrößen zu ermitteln:
- letzter erfasster Aktorstrom (IA),
- Aktor-Temperatur,
- elektrischer Widerstand der zumindest einen Aktorspule
(6) ,
- Induktivität der zumindest einen Aktorspule (6),
- Position und Geschwindigkeit des Stößels (8),
- Ansteuerspannung (Ua) des Aktors (4) .
5. Aktorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
wobei die Kompensationseinrichtung (28) derart eingerichtet ist, dass sie aus der ermittelten Größe (G) anhand einer Korrekturfunktion eine Korrekturgröße ermittelt und anhand der Korrekturgröße das Messsignal (SM) anpasst.
6. Aktorvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die anhand der Korrekturfunktion ermittelte Kor rekturgröße mit Kalibrierwerten korrigiert wird, wobei es sich bei den Kalibrierwerten um einen Offset und / oder einen Verstärkungsfaktor handelt.
7. Aktorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
wobei das Geberelement (12) als ein Dauermagnet ausgebildet ist .
8. Aktorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
wobei das Sensorelement (14) als ein Magnetfeldsensor ausgebildet ist.
9. Aktorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
wobei das Geberelement (12) derart an dem Stößel (8) an geordnet ist, dass die Richtung des von dem Geberelement (12) erzeugten Magnetfelds (18) und die Richtung des magnetischen Streufeldes an einer Messposition, an der das Sensorelement (14) angeordnet ist, im Wesentlichen gleichgerichtet sind.
10. Verfahren zur Kompensation eines magnetischen Streufeldes bei einer Aktorvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die aufweist:
- einen Aktor (4) mit zumindest eine Aktorspule (6) zur Erzeugung zumindest eines elektromagnetischen Feldes sowie mit einem in Abhängigkeit des zumindest einen erzeugten magnetischen Feldes in und entgegen einer Längsrichtung (L) verfahrbaren Stößel (8), - eine Sensoreinrichtung (10), die ein Geberelement (12) und ein Sensorelement (14) aufweist, wobei das Geberelement (12) an dem Stößel (8) angeordnet ist und mittels des Senso relements (14) in Abhängigkeit eines von dem Geberelement (12) erzeugten Magnetfelds (18) ein Messsignal (SM) erzeugt wird, welches eine Information über eine aktuelle
Ist-Position des Stößels (8) entlang der Längsrichtung (L) enthält sowie
- eine Regelungseinheit (20) mit einem Regler (22), mittels dem in Abhängigkeit eines Positionssignals (SP) auf Basis des Messsignals (SM) die zumindest eine Aktorspule (6) zur Erzeugung des zumindest einen elektromagnetischen Feldes mit einer Ansteuerspannung (UA) beaufschlagt wird, sodass der Stößel (8) aus der aktuellen Ist-Position in eine
Soll-Position verfahren wird und wobei von der zumindest einen Aktorspule (6) ein magnetisches Streufeld erzeugt wird, welches das Messsignal (SM) beeinflusst,
umfassend die folgenden Schritte:
- Erfassen einer mit dem magnetischen Streufeld korrelierten Größe (G) mittels einer Kompensationseinheit (28),
- Erzeugung einer Korrekturgröße auf Basis der erfassten Größe (G) ,
- Anpassen des Messsignals (SM) durch Beaufschlagung des Messsignals (SM) mit der Korrekturgröße,
- Übermittlung des Positionssignals (SP) auf Basis des angepassten Messsignals (SM) an den Regler (22) .
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem mittels der Kompensationseinrichtung (28) aus der ermittelten Größe anhand einer Korrekturfunktion eine Korrekturgröße ermittelt wird und anhand der Korrekturgröße das Messsignal (SM) anpasst wird und wobei die anhand der Korrekturfunktion ermittelte Korrekturgröße mit Kalib rierwerten korrigiert wird, wobei es sich bei den Kalib- rierwerten um einen Offset und / oder einen Verstär kungsfaktor handelt.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem zur Bestimmung der Kalibierwerte der Stößel (8) in vorgegebene und bekannte Kalibrierpositionen, vorzugsweise die beiden Endpositionen verfahren wird, einmal mit bestromtem Aktor (4) und einmal mit unbestromtem Aktor (4) und jeweils die Position des Stößels (8) mittels der Sensoreinrichtung (10) erfasst wird und weiterhin der für eine jeweilige Kalibrierposition mittels der Korrektur funktion ermittelte Wert für die Kalibierposition mit dem tatsächlichen Wert der Kalibrierposition verglichen wird und hieraus der Offset und der Verstärkungsfaktor ermittelt werden .
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