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Title:
METHOD AND DEVICE FOR MAINTAINING A DETECTED ABSOLUTE POSITION OF AN ELECTRIC MOTOR OPERATING AS AN ACTUATOR DURING A CRITICAL OPERATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/166553
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for maintaining a detected absolute position of an electric motor operating as an actuator during a critical operation. The electric motor (2) is controlled by a controller (1) which is supplied with energy from an energy source. In the method, with which an absolute value sensor can be omitted, the absolute position of the electric motor (2) is measured during the operation thereof, wherein rotations of the electric motor (2) are detected. The rotations are counted, and a count value is output to a microprocessor (3) of the controller (1) in order to actuate the electric motor (2), and in the event of a critical operation, the currently detected count value is maintained by means of an independent voltage supply (7).

Inventors:
DIETRICH, Markus (Brestenberg 15, Oberkirch, 77704, DE)
Application Number:
DE2018/100115
Publication Date:
September 20, 2018
Filing Date:
February 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
H02P1/02; H02P29/024
Foreign References:
DE19726752A11999-01-28
DE10347359A12005-05-12
DE102014225398A12015-06-18
DE102016107928A12017-11-02
DE102014215263A12015-03-19
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors in einem kritischen Betriebsfall, wobei der Elektromotor (2) von einem Steuergerät (1) gesteuert wird, das von einer Energiequelle mit Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutposition des Elektromotors (2) während dessen Betriebes gemessen wird, indem Umdrehungen des Elektromotors (2) detektiert werden, wobei die Umdrehungen gezählt werden und ein Zählwert an einen Mikroprozessor (3) des Steuergerätes (1) ausgegeben wird, um den Elektromotor (2) anzusteuern, wobei bei einem Auftreten eines kritischen Betriebsfalles der aktuell detektierte Zählwert mittels einer unabhängigen Spannungsversorgung (7) gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der unabhängigen Spannungsversorgung (7) mit einem Spannungsschwellwert verglichen wird, wobei bei Unterschreitung des Spannungsschwellwertes die Absolutposition des Elektromotors (2) neu referenziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängige Spannungsversorgung (7) mit dem Spannungsschwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Spannungsschwellwertes ein Zählwert, bestehend aus der Anzahl der Umdrehungen vor dem kritischen Betriebsfall plus der ganzzahligen Umdrehungen während des kritischen Betriebsfalles, als neue Absolutposition des Elektromotors (2) bei einer Wiederaufnahme des Betriebes des Mikroprozessors (3) übernommen wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwellwert größer gewählt wird als die Spannung, welche zum Betreiben eines die Umdrehungen des Elektromotors (2) detektierenden Sensors (4) notwendig ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der unabhängigen Spannungsversorgung ein Pufferkondensator (7) verwendet wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn eines Zählvorganges der Umdrehungen des Elektromotors (2) eine Referenzierung der Absolutposition des Elektromotors (2) bei Inbetriebnahme des Steuergerätes (1) vorgenommen wird.

7. Vorrichtung zum Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors in einem kritischen Betriebsfall, wobei der Elektromotor (2) zur Steuerung mit einem Steuergerät (1) verbunden ist, das mit einer Energiequelle gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektromotor (2) gegenüberliegend ein Sensor (4), vorzugsweise ein Rotorlagesensor, zur Detektion der Umdrehungen des Elektromotors (2) angeordnet ist, der mit einer Zähleinheit (5) zur Bestimmung der während des Betriebes des Elektromotors (2) eingenommenen Absolutposition des Elektromotors (2) aus den detektierten Umdrehungen verbunden ist, die an einen Mikroprozessor (3) des Steuergerätes (1) geführt ist, wobei der Sensor (4) und die Zähleinheit (5) Bestandteil eines Teilschaltkreises (6) mit einer unabhängigen Spannungsversorgung (7) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängige Spannungsversorgung des Teilschaltkreises (6) durch einen Pufferkondensator (7) realisiert ist, der mit der Betriebsspannung des Steuergerätes (1) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilschaltkreis (6) eine Schalteinheit (13) umfasst, welche in Abhängigkeit von einem Spannungsschwellwert, der mit einem aktuellen Wert der unabhängigen Spannungsversorgung (7) verglichen wird, den Teilschaltkreis (6) bei Unterschreitung des Spannungsschwellwertes abschaltet, wobei der die Schalteinheit (13) überwachende Mikroprozessor (3) eine Referenzierung der Absolutposition des Elektromotors (2) auslöst.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (3) mit einem Schalter (10) verbunden ist, welcher angesteuert wird, wenn die Überprüfung des Teilschaltkreises (6) ergeben hat, dass diese abgeschaltet ist.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors in einem kritischen Betriebsfall Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors in einem kritischen Betriebsfall, wobei der Elektromotor von einem Steuergerät gesteuert wird, das von einer Energiequelle mit Energie versorgt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Aus der DE 10 2014 215 263 A1 ist es bekannt, dass ein Aktor, vorzugsweise ein Elektromotor, von einem Steuergerät angesteuert wird, wobei das Steuergerät über eine stromführende Versorgungsleitung mit einer externen Energieversorgung verbunden ist.

Solche als Aktor eingesetzten Elektromotoren haben als Stellmotor einen Arbeitsbereich von mehreren Umdrehungen, d.h. der Elektromotor dreht sich, um beispielsweise eine Kupplung in einem Kraftfahrzeug vom geöffneten zum geschlossenen Zustand zu bewegen, 35-mal um 360°C. Für die Ansteuerung des Elektromotors durch das Steuergerät ist es aber wichtig, dass die Absolutposition des Elektromotors bekannt ist. Eine solche Absolutposition kann beispielsweise durch einen Absolutwegsensor erfasst werden, der dem Elektromotor gegenüber- liegend angeordnet ist. Nachteilig dabei ist, dass in einem kritischen Betriebsfall die Absolutposition verlorengehen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors anzugeben, bei welchem auch nach einem kritischen Betriebsfall die Absolutposition noch bekannt ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Absolutposition des Elektromotors während dessen Betriebes gemessen wird, indem Umdrehungen des Elektromotors detektiert werden, wobei die Umdrehungen gezählt werden und ein Zählwert an einen Mikro- Prozessor des Steuergerätes ausgegeben wird, um den Elektromotor anzusteuern, wobei bei einem Auftreten eines kritischen Betriebsfalls der aktuell detektierte Zählwert mittels einer unabhängigen Spannungsversorgung gehalten wird. Dies hat den Vorteil, dass, wenn das Steuergerät nach der Betriebsstörung wieder in den Betriebsmodus zurückkehrt, die Absolutposition des Elektromotors sofort bekannt ist, ohne diese neu bestimmen zu müssen. Dabei kann ein Absolutwegsensor entfallen, was die Komplexität der Ansteuerschaltung des Elektromotors genauso wie Kosten und Bauraum reduziert. Vorteilhafterweise wird ein Wert der unabhängigen Spannungsversorgung mit einem Spannungsschwellwert verglichen, wobei bei Unterschreitung des Spannungsschwellwertes die Absolutposition des Elektromotors neu referenziert wird. Durch diese Überprüfung wird si- chergestellt, dass eine Abnahme der unabhängigen Spannungsversorgung, welche insbesondere zum Betreiben des Sensors zur Umdrehungsmessung benötigt wird, nur solange aufrechterhalten wird, solange der Sensor noch fehlerfrei arbeiten kann. Ist die unabhängige Spannungsversorgung für den Betrieb des Sensors nicht mehr ausreichend, wird dieser abgeschaltet.

In einer Ausgestaltung wird die unabhängige Spannungsversorgung mit dem Spannungsschwellwert verglichen, wobei bei Überschreitung des Spannungsschwellwertes ein Zählwert, bestehend aus der Anzahl der Umdrehungen vor dem kritischen Betriebsfall plus der ganzzahligen Umdrehungen während des kritischen Betriebsfalles als neue Absolutposition des Elektromotors bei einer Wiederaufnahme des Betriebes des Mikroprozessors übernommen wird. Somit kann im Betrieb des Elektromotors, auch bei einem kurzfristigen Reset oder einer Unterspannung am Mikroprozessor auf eine Neuermittlung der Absolutposition des Elektromotors verzichtet werden, was Zeitverzögerungen bei der Ansteuerung des Elektromotors vermeidet.

In einer Variante wird der Spannungsschwellwert größer gewählt als die Spannung, welche zum Betreiben eines die Umdrehung des Elektromotors detektierenden Sensors notwendig sind. Durch die Aufrechterhaltung der Betriebsspannung des Sensors wird sichergestellt, dass der Sensor immer zuverlässige Messergebnisse über die Umdrehung des Elektromotors lie- fert.

In einer Ausführungsform wird zur Realisierung der unabhängigen Spannungsversorgung ein Pufferkondensator verwendet. Da dieser Pufferkondensator während des normalen Betriebes des Steuergerätes immer zuverlässig auf einem vorgegebenen Spannungswert gehalten wird, ist auch bei einem Reset oder dem Auftreten einer Unterspannung am Mikroprozessor eine zuverlässige Spannungsversorgung des Sensors zur Messung der Umdrehungen des Elektromotors sichergestellt.

Um eine gesicherte Ausgangsbasis für die Umdrehungsmessung des Sensors während des Betriebes des Elektromotors zu haben, wird vor Beginn eines Zählvorganges der Umdrehungen des Elektromotors eine Referenzierung der Absolutposition des Elektromotors bei Inbe- triebnahme des Steuergerätes vorgenommen. Da es wichtig ist, die Absolutposition hinsichtlich Funktion und Schutz des Elektromotors zu kennen, muss die 360°-Position (eine mechanische Bewegung des Elektromotors), insbesondere für die Kommutierung des Elektromotors, ermittelt werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beibehaltung einer detektierten Absolutposition eines als Aktor wirkenden Elektromotors in einem kritischen Betriebsfall, wobei der Elektromotor zur Steuerung mit einem Steuergerät verbunden ist, das mit einer Energiequelle gekoppelt ist. Bei einer Vorrichtung, bei welcher innerhalb des Betriebsmodus des Elektromotors auf eine Referenzierung, also eine Bestimmung der 0°-Position des Elektromotors verzichtet werden kann, ist dem Elektromotor gegenüberliegend ein Sensor, vorzugsweise ein Rotorlagesensor, zur Detektion der Umdrehung des Elektromotors angeordnet, der mit einer Zähleinheit zur Bestimmung der während des Betriebes des Elektromotors eingenommenen Absolutposition des Elektromotors aus den detektierten Umdrehungen verbunden ist, die an einen Mikrocontroller des Steuergerätes geführt ist, wobei der Sensor und die Zähleinheit Bestandteil eines Teilschaltkreises mit einer unabhängigen Spannungsversorgung sind. Da bei einem kritischen Betriebsfall die Spannung am Steuergerät einbrechen kann, bleiben aufgrund der unabhängigen Spannungsversorgung die vom Sensor und der Zähleinheit ermittelten Umdrehungszahlen erhalten, so dass diese beim Zurückkehren in den Betriebszustand des Steuergerätes von diesem zur Ansteuerung des Elektromotors verwendet werden können.

Vorteilhafterweise ist die unabhängige Spannungsversorgung des Teilschaltkreises durch einen Pufferkondensator realisiert. Ein solcher Pufferkondensator ist sehr einfach zu realisieren, da er mit einer Betriebsspannung verbunden ist, die ununterbrochen diesen Pufferkondensator auflädt, so dass im normalen Betriebsfall ständig ausreichend Spannung an dem Sensor und der Zähleinheit vorhanden sind, so dass diese zuverlässig arbeiten können.

In einer Ausgestaltung umfasst der Teilschaltkreis eine Schalteinrichtung, welche in Abhän- gigkeit von einem Spannungsschwellwert, der mit einem aktuellen Wert der unabhängigen Spannungsversorgung verglichen wird, den Teilschaltkreis bei Unterschreitung des Spannungsschwellwertes abschaltet, wobei der die Schalteinrichtung überwachende Mikroprozessor eine Referenzierung der Absolutposition des Elektromotors auslöst. Da durch diese Abschaltung ein zuverlässiges Auswerten der Umdrehungen durch den Rotorlagesensor und die Zähleinheit nicht mehr gewährleistet werden kann, wird die Absolutposition während des Betriebes des Elektromotors in diesem vorliegenden Fall neu referenziert, um wieder einen zu- verlässige Nullposition des Elektromotors für die Bestimmung der Kommutierung zu gewährleisten.

In einer Variante ist der Mikroprozessor mit einem Schalter verbunden ist, welcher angesteu- ert wird, wenn die Überprüfung der Teilschaltung ergeben hat, dass diese abgeschaltet ist. Diese Ansteuerung des zweiten Schalters hat den Vorteil, dass der Pufferkondensator, welcher während des kurzen kritischen Betriebsfalles infolge der weiteren Ansteuerung des Sensors an Spannung verloren hat, wieder vollständig aufgeladen wird und somit für den Betrieb weiter zur Verfügung steht.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, welche ein Steuergerät 1 zeigt, das zur Ansteuerung einen als Elektromotor 2 ausgebildeten Aktor darstellt. Insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug kann unter dem Aktor ein Kupplungsaktor, der mit einem oder mehreren Elektromotor(en) zur Steuerung der Reibungskupplung und/oder ein Getriebeaktor zur Steuerung einer Wähl- und Schaltbewegung mit einem oder mehreren Elektromotor(en) verstanden werden. Der Einfachheit halber wird in Fig. 1 nur Bezug auf einen Elektromotor 2 genommen, der von einem Mikroprozessor 3 des Steuergerä- tes 1 hinsichtlich seiner Funktion, insbesondere bezüglich einer Kommutierung, angesteuert wird und welcher durch den Rotorlagemagnet dargestellt ist. Dem Elektromotor 2 ist ein Rotorlagesensor 4 gegenüberliegend angeordnet, der mit einer Zähleinheit 5 verbunden ist. Die Zähleinheit 5 und der Rotorlagesensor 4 sind dabei Bestandteil eines Teilschaltkreises 6, der eine eigenständige Energieversorgung in Form eines Pufferkondensators 7 aufweist. Ein sol- eher eigenständig arbeitender Teilschaltkreis 6 ist somit unabhängig vom Rest der Steuergerät 1 funktionstüchtig. Der Pufferkondensator 7 ist über eine Diode 8, einen Widerstand 9 und einen Schalter 10, dessen Basis mit dem Mikroprozessor 3 verbunden ist, mit einer stromführenden Leitung 1 1 , die den Mikrocontroller 3 mit einer nicht weiter dargestellten externen Energiequelle verbindet, gekoppelt. Innerhalb des Teilschaltkreises 6 ist parallel zu dem Pufferkondensator 7 und zu dem Rotorlagesensor 4 sowie der Zähleinheit 5 eine Halteschaltung 12 angeordnet, welche eine Schalteinheit 13 aufweist, deren Basis an einem Spannungsteiler 14, 15 geführt ist. Die Betriebsbereitschaft der Teilschaltkreis 6 wird durch den Pufferkondensator 7 ermöglicht. Dieser wird durch die externe Energiequelle aufgeladen, sobald das Steuergerät 1 mit Spannung versorgt wird.

Bei der Verwendung in dem Kraftfahrzeug wird die der 0°-Position mechanisch entsprechende Absolutposition des Elektromotors 2, die insbesondere zur Bestimmung der Kommutierung des Elektromotors notwendig ist, bei Einschaltung der Zündung, also bei beginnender Energieversorgung des Steuergerätes 1 , referenziert, Die Motorkommutierung erfolgt dann über den Rotorlagesensor 4, maximal auf eine mechanische Umdrehung des Elektromotors 2 absolut. Tritt nun der Fall ein, dass die Spannung des Steuergerätes 1 einbricht oder es zu einem, durch ein übergeordnetes, nicht weiter dargestelltes Steuergerät ausgelösten Reset kommt, wird die Verbindung des Teilschaltkreises 6 zur Gesamtelektronik unterbrochen und die Ladung des Pufferkondensators 7 dafür benutzt, den Teilschaltkreis 6 mit Energie zu versorgen, wodurch eine weitere Erfassung der Umdrehungen des Elektromotors 2 sowie Zählung und Speicherung der Anzahl der Umdrehungen in der Zähleinheit 4 möglich wird. Die an der Basis der Schaltereinheit 13 anliegende, durch den Spannungsteiler 14, 15 eingestellte Spannung ist dabei mindestens so groß gewählt, dass diese die Betriebsspannung für die Zähleinheit 5 und den Rotorlagesensor 4 bereitstellt. Vorteilhafterweise entspricht diese der von dem Pufferkondensator 7 bereitgestellten Spannung von ca. 5 V.

Ist der kritische Betriebsfall, der maximal nur eine Sekunde dauert, überwunden, wird durch den Mikroprozessor 3 die an dem Teilschaltkreis 6 anliegende Spannung des Pufferkondensators 7 mit der an der Schaltereinheit 13 bereitgestellten, als Schwellwert verwendete Haltespannung geprüft. Ist der Schwellwert nicht unterschritten, werden von dem Mikroprozessor 3 die gespeicherten Umdrehungsinformationen, welche den letzten Stand vor dem Reset plus die ganzzahligen Umdrehungen während des Resets umfassen, als neue Absolutposition des Elektromotors 2 übernommen. Ist der Schwellwert durch die Spannung des Pufferkondensators 7 unterschritten, veranlasst der Mikroprozessor 3 eine neue Referenzierung der Absolutposition. Wird bei dieser Überprüfung aber festgestellt, dass die Spannung des Teilschaltkreises 6 unterhalb der Spannung des Pufferkondensators 7 liegt und dieser deshalb abgestellt wurde, schaltet der Mikroprozessors den Schalter 10, um den Pufferkondensator 7 über die Leitung 11 mit der externen Energieversorgung zu verbinden und somit wieder mit Energie zu versor- gen. Dadurch wird der Pufferkondensator 7 wieder aufgeladen.

Um längere Resets abzudecken, bzw. über mehrere Tage die Funktion des Elektromotors 2 aufrechtzuerhalten, kann der Pufferkondensator 7 auf eine viel höhere Spannung, beispiels- weise 12 Volt, aufgeladen werden, um somit die Mindestspannung des Teilschaltkreises 6 länger aufrechterhalten zu können. Alternativ können auch sogenannte Low-Power-Sensoren eingesetzt werden, deren Stromverbrauch im Mikroampere-Bereich liegt, um die Funktion des Elektromotors 2 sehr lange aufrechtzuerhalten. Die vorgeschlagene Lösung erfordert eine vereinfachte Magnetauslegung für den Elektromotor, da nur ein einziger Sensor, der Rotorlagesensor 4, notwendig ist. Dadurch werden Magnetkosten reduziert. Auf einen zusätzlichen Absolutlagesensor kann verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

Steuergerät

Elektromotor

Mikroprozessor

Rotorlagesensor

Zähleinheit

Teilschaltkreis

Pufferkondensator

Diode

Widerstand

Schalter

Leitung

Halteschaltung

Schalteinheit

Widerstand

Widerstand