DE10306329A1

DE10306329A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE10306329A1
Application number: DE2003106329
Authority: DE
Inventors: Markus Kramer
Original assignee: Valeo Sicherheitssysteme GmbH
Current assignee: Minebea AccessSolutions Deutschland GmbH
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-08-26
Also published as: WO2004072130A3; WO2004072130A2

Abstract

Bei einem einfachen Stellantrieb wird, ausgehend von einem Startzeitpunkt, zu dem eine Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor angelegt wird, der kumulierte Drehwinkel des Rotors aus den aktuellen Betriebswerten des Gleichstrommotors berechnet. Aus den aktuellen Betriebswerten wird ein für die aktuelle Drehzahl des Rotors repräsentativer Wert und aus diesem ein Bremswinkel bei kurzgeschlossenem Gleichstrommotor berechnet. Die Versorugngsspannung wird abgeschaltet und der Gleichstrommotor kurzgeschlossen, wenn die Summe aus kumuliertem Drehwinkel und Bremswinkel dem vorgegebenen Stellweg entspricht. Der Betriebszustand des Motors kann mit ausreichender Genauigkeit aus der Versorgungsspannung und dem Motorstrom bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrommotors, der einen Stellantrieb über einen vorgegebenen Stellweg antreibt. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Gleichstrommotor, der einen Stellantrieb über einen vorgegebenen Stellweg antreibt, und einen Stellantrieb mit einer solchen Steuervorrichtung.
Bei einfachen Stellantrieben mit relativ kurzem Stellweg ist man bestrebt, die Verwendung von Wegsensoren zu vermeiden. Der Stellweg ist in diesen Fällen durch einen Bezugspunkt definiert oder wird durch einen Anschlag begrenzt. Man verwendet hochdynamische Stellsysteme, bei denen der Stellweg eine Bremsphase umfasst, die 20% oder mehr des gesamten Stellwegs ausmacht. Der Gleichstrommotor wird nur kurzzeitig an die Versorgungsspannung angeschlossen. Da aber zum Zeitpunkt des Abschaltens der Versorgungsspannung die Rotordrehzahl insbesondere durch Schwankungen der Versorgungsspannung variieren kann, liegt der optimale Abschaltpunkt nicht an einer festen Position des Stellwegs. Um den gesamten Stellweg sicher zu durchfahren, wird der Abschaltpunkt so spät gewählt, dass die Begrenzung durch den Anschlag erfolgt. Das führt aber im Regelfall zu einer hohen Materialbeanspruchung, der durch entsprechende Dimensionierung begegnet werden muß.
Durch die Erfindung wird auch ohne aufwendige Sensorik die Bestimmung des optimalen Abschaltpunktes ermöglicht, indem die Betriebsparameter des Gleichstrommotors gemessen und ausgewertet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von einem Startzeitpunkt, zu dem eine Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor angelegt wird, der kumulierte Drehwinkel des Rotors aus den aktuellen Betriebswerten des Gleichstrommotors berechnet. Aus den aktuellen Betriebswerten wird ein für die aktuelle Drehzahl des Rotors repräsentativer Wert und aus diesem ein Bremswinkel bei kurzgeschlossenem Gleichstrommotor berechnet. Die Versorgungsspannung wird abgeschaltet und der Gleichstrommotor kurzgeschlossen, wenn die Summe aus kumuliertem Drehwinkel und Bremswinkel dem vorgegebenen Stellweg entspricht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Betriebszustand des Motors mit ausreichender Genauigkeit aus der Versorgungsspannung und dem Motorstrom bestimmt werden kann. Aus diesen Betriebsgrößen können die Rotordrehzahl und das erzeugte Moment bestimmt werden. Beide Betriebsgrößen können leicht und mit geringem Aufwand gemessen werden. Der kumulierte Rotordrehwinkel ergibt sich dann durch Aufsummieren der Winkelinkremente, die durch das Produkt der momentanen Rotordrehzahl mit dem Abtastzeitintervall bestimmt werden, und der Bremswinkel ergibt sich aus einer Zeitkonstanten und der Rotordrehzahl zum Zeitpunkt der Abschaltung und des Kurzschließens.
Insbesondere wird bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens die momentane Rotordrehzahl aus den Momentanwerten von Versorgungsspannung und Motorstrom sowie dem bekannten Innenwiderstand des Gleichstrommotors bestimmt. Dazu wird lediglich die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der inneren Motorspannung bestimmt, die dem Produkt aus Motorstrom und statischem ohmschen Wicklungswiderstand („Kupferwiderstand") des Ankers entspricht. Alle Berechnungen können mit verfügbaren Microcomputern ausgeführt werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der in der mit Kurzschließen des Gleichstrommotors beginnenden Bremsphase die Momentanwerte des Kurzschlussstroms gemessen werden, daraus die Momentanwerte der Rotordrehzahl ermittelt und aus diesen die Drehwinkelinkremente bestimmt werden, die Drehwinkelinkremente mit dem kumulierten Drehwinkel zu einem Gesamtdrehwinkel aufaddiert werden, der Stillstand des Rotors detektiert wird, der Gesamtdrehwinkel bei Rotorstillstand mit einem Solldrehwinkel verglichen wird, der dem Stellweg entspricht, und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Gleichstrommotor erneut angesteuert wird. Auf diese Weise sind Korrekturen möglich, um Störgrößen zu berücksichtigen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Steuervorrichtung für einen Gleichstrommotor, der einen Stellantrieb über einen vorgegebenen Stellweg antreibt. Die Versorgungsspannung wird an die Anschlüsse des Gleichstrommotors über einen ersten Schalter angelegt. Die Anschlüsse des Gleichstrommotors können durch einen zweiten Schalter kurzgeschlossen werden. Beide Schalter werden durch einen Microcomputer gesteuert, dem als Messwerte die Momentanwerte von Versorgungsspannung des Gleichstrommotors und Motorstrom zugeführt werden. Der Microcomputer führt ein Programm aus, das anhand der Messwerte und des vorbestimmten Stellwegs einen Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Versorgungsspannung abgeschaltet und der erste Schalter geöffnet sowie der zweite Schalter geschlossen wird. Vorzugsweise arbeitet die Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Stellantrieb für ein hochdynamisches Stellsystem, in dem der Bremsweg einen wesentlichen Anteil des gesamten Stellwegs ausmacht, insbesondere für ein Lenkschloß, eine Tür, einen Deckel oder eine Klappe in Kraftfahrzeugen, mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung. Dabei wird auf die beigefügte einzige Figur Bezug genommen.
Die Fig. ist ein Blockschaltbild, das schematisch eine Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor M eines Stellantriebs zeigt. Über einen ersten Schalter S1 wird einer der zwei Anschlüsse des Motors mit einer Versorgungsspannung Ub verbunden; der zweite Anschluß ist über einen Stromsensor S_Im mit Masse verbunden. Parallel zu den Anschlüssen des Motors M liegt ein zweiter Schalter S2. Ferner ist zwischen den Anschlüssen des Motors M ein Spannungssensor S_Ub angeschlossen. Die Schalter S1 und S2 werden über Treiberschaltungen durch einen Microcomputer μC gesteuert, der von dem Stromsensor S_Im, die Messwerte des momentanen Motorstroms Im und von dem Spannungssensor S_Ub die Messwerte der momentanen Versorgungsspannung Ub empfängt. Der Microcomputer μC frührt ein Programm PROG aus, das in einem internen Festwertspeicher abgelegt ist und neben den empfangenen Messwerten bestimmte Parameter berücksichtigt. Diese Parameter sind insbesondere Rcu, der statische ohmsche Wicklungswiderstand des Ankers, τ, eine Zeitkonstante, und C1, eine Drehzahlkonstante. Die zwei Schalter S1, S2 werden durch den Microcomputer μC gemäß dem Programm PROG angesteuert.
Das Programm PROG frührt den im Folgenden beschriebenen Algorithmus aus.
Ziel des Verfahrens ist, einen Gleichstrom-Motor, unter Berücksichtigung seiner Betriebswerte Versorgungsspannung Ub und Motorstrom Im, so zu steuern, daß ohne zusätzliche Sensorik ein definierter Winkel überfahren werden kann. Der Ablauf wird folgendermaßen beschrieben:

1. Der stehende Motor wird direkt, über ein Relais oder eine Halbleiterbrücke, an Ub geschaltet. Abhängig vom Lastmoment und den dynamischen Eigenschaften der Mechanik beschleunigt der Motor.
2. Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird der Motor abgeschaltet und kurzgeschlossen, so daß die generatorische Wirkung als aktive Bremse genutzt werden kann. Der Motor verzögert daraufhin und bleibt schließlich stehen.

Wird obige Sequenz durchlaufen, hat sich die Motorachse um einen bestimmten, von Ub, Im, Lastmoment M, Einschaltzeit t1, Temperatur, den dynamischen Eigenschaften der Mechanik und den Kennwerten des Motors abhängigen Winkel φ weitergedreht. Unter Berücksichtigung der Motorbetriebswerte Im(t) und Ub(t) soll nun t1 so bestimmt werden, daß weitgehend unabhängig von den genannten Störgrößen ein definierter Winkel φ durchlaufen wird. Das Verfahren ist bestimmt, um den Zielwinkel mit einer einmaligen Ansteuerung möglichst präzise zu erreichen, ggf. bleibt jedoch die Möglichkeit, korrigierende Schaltvorgänge anzuhängen.
Die Betriebswerte des Gleichstrom-Motors
An einem Gleichstrom-Motor können leicht die Betriebswerte, Versorgungsspannung Ub und Motorstrom Im gemessen werden. Sie beschreiben den Betriebszustand des Motors mit relativ hoher Genauigkeit. Der Einfluß der Induktivität und der inneren Reibung spielt hier nur eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist hier vor allem:

1. Die Drehzahl des DC-Motors wird weitgehend durch die „innere Spannung" U_i bestimmt. Mit Rcu, dem Wicklungswiderstand des Ankers, läßt sich U_i und dadurch die augenblickliche Drehzahl des Motors durch Ui = Ub – RCu·Imangeben.
2. Das erzeugte Moment ist proportional zum Motorstrom.

Aus obigen Zusammenhängen kann nun der zeitliche Verlauf von Drehzahl ω und Drehwinkel φ ermittelt werden:
Phase 1; Motor eingeschaltet: U1 = Ub – RCu·Im
Phase 2; Motor kurzgeschlossen
Aus den Messwerten: Ui = RCU·Im
Theoretisch gilt:
mit ω_i: Enddrehzahl aus Phase 1
und τ: mech. Zeitkonstante
Berechnung des Abschaltzeitpunktes t1
Soll nun ein bestimmter Winkel durchfahren werden, wird aus den Meßwerten in Phase 1 φ durch numerische Integration bestimmt:
C₁: Drehzahlkonstante
Der Winkel φ entspricht dem aktuell zurückgelegten Weg in Phase 1.
Um den Zielwinkel zu erreichen, wird gleichzeitig der theoretisch benötigte Bremswinkel in Phase 2 berechnet, der sich aus der aktuellen Drehzahl ergibt: γ = c1τ (Ubi – Ri·Imi)
Der Zeitpunkt des Abschaltens des Motors, also der Übergang von Phase 1 zu Phase 2, ergibt sich dann aus: φ + γ > = PgMit Pg: Gesamtwinkel (= Zielwinkel)
Der Ansatz lautet also:
Für den Spezialfall einer konstanten Abtastrate, also Δt = const., läßt sich eine Multiplikation einsparen:
Dieser Ansatz kann in Mikroprozessorsystemen leicht umgesetzt werden, zumal die Bruchzahlen Konstanten sind.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Winkel im Bremsbetrieb weiter mit zu berechnen. Im Folgenden werden die Winkel mit Δtc₁ skaliert angegeben, um den erforderlichen Rechenaufwand realistischer darzustellen.
Die linke Seite der Ungleichung liefert den aktuell überfahrenen Drehwinkel:
n: Index, bei dem sich obige Ungleichung erfüllt.
Leicht kann im folgenden Bremsbetrieb (Phase 2) der Winkel weiter berechnet werden:
m: Index, bei dem der Motor sicher zum Stehen gekommen ist.
Der Zeitpunkt zur Bestimmung von m kann entweder theoretisch fix für den ungünstigsten Fall berechnet werden oder aus dem aktuell gemessenen Strom Im, der ja im Stillstand Null wird, abgeleitet werden. Durch die Skalierung kommt man in beiden Phasen, neben den Additionen, mit einer einzigen Multiplikation pro Iteration aus, die Anforderung an die Rechenleistung des Prozessors bleiben so gering. Als Zwischenprodukt fallen die, ebenfalls skalierten Drehgeschwindigkeiten (die Summenterme in obigen beiden Formeln) an.
Wird der durchlaufene Winkel auch in Phase 2 berechnet, lassen sich wertvolle Hinweise über die Bewegung ableiten:

– Überprüfung des gesamten überfahrenen Winkels
– Durch Gegenüberstellung der Drehgeschwindigkeiten am Ende von Phase 1 und am Anfang von Phase 2 kann, da hier die gleiche Geschwindigkeit errechnet werden muß, der Innenwiderstand des Motors Rcu überprüft und ggf. korrigiert werden: Ubn–1 – RCu·Imn–1 – RCu·Imn+1

Beide Terme fallen als Zwischenergebnisse an.

– Ist die Zielposition ein mech. Anschlag, kann, sofern der Anschlag mit geringer Geschwindigkeit angefahren wird, das Erreichen des Anschlags überprüft werden: durch Feststellen einer sich sprunghaft ändernden Drehgeschwindigkeit, oder im Fall eines geringen Rückpralls, eine Umkehr des Vorzeichens.

Ein Rückprallwinkel, dessen Größe sich in Phase 2 sehr genau bestimmen läßt, eignet sich zur laufenden Nachführung von Rcu.
Die Genauigkeit obigen Verfahrens ist wesentlich von der Bestimmung von Rcu abhängig. Der Widerstand (Kupfer) ist stark temperaturabhängig. Benutzt man Kupfer (Leiterbahn) als Meßwiderstand, läßt sich der Temperatureinfluß, der sich besonders stark beim Anlaufen des Motors bemerkbar macht, stark reduzieren.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Gleichstrommotors, der einen Stellantrieb über einen vorgegebenen Stellweg antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass a) ausgehend von einem Startzeitpunkt, zu dem eine Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor angelegt wird, der kumulierte Drehwinkel des Rotors aus den aktuellen Betriebswerten des Gleichstrommotors berechnet wird, b) aus den aktuellen Betriebswerten ein für die aktuelle Drehzahl des Rotors repräsentativer Wert und aus diesem ein Bremswinkel bei kurzgeschlossenem Gleichstrommotor berechnet wird, c) die Versorgungsspannung abgeschaltet und der Gleichstrommotor kurzgeschlossen wird, wenn die Summe aus kumuliertem Drehwinkel und Bremswinkel im wesentlichen dem vorgegebenen Stellweg entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kumulierte Drehwinkel durch über die momentane Rotordrehzahl bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane Rotordrehzahl bestimmt wird aus den Momentanwerten von Versorgungsspannung und Motorstrom sowie dem bekannten Innenwiderstand des Gleichstrommotors.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem die Versorgungsspannung abgeschaltet und der Gleichstrommotor kurzgeschlossen wird, die folgende Bedingung durch Berechnung in einem Microcomputer geprüft wird:
Ub_i Momentanwert der Versorgungsspannung, R_cu Wicklungswiderstand des Ankers, Im_i Momentanwert Motorstrom, Δt_i Abtastzeitintervall Pg kumulierter Rotordrehwinkel, c₁ Drehzahlkonstante und τ Zeitkonstante.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Abtastzeitintervall Δt verwendet wird und die überprüfte Bedingung wie folgt vereinfacht wird:
worin die Bruchzahlen als konstant angenommen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mit Kurzschließen des Gleichstrommotors beginnenden Bremsphase die Momentanwerte des Kurzschlussstroms gemessen werden, daraus die Momentanwerte der Rotordrehzahl ermittelt und aus diesen die Drehwinkelinkremente bestimmt werden, die mit dem kumulierten Drehwinkel zu einem Gesamtdrehwinkel aufaddiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Momentanwert Null des Kurzschlussstroms auf den Rotorstillstand geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtdrehwinkel bei Rotorstillstand mit einem Solldrehwinkel verglichen wird, der dem Stellweg entspricht, und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Gleichstrommotor erneut angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Abschaltung der Versorgungsspannung ermittelte Rotordrehzahl mit der unmittelbar nach dem Kurzschließen ermittelten Rotordrehzahl verglichen wird und aus Abweichungen ein Korrekturwert für den Wicklungswiderstand des Ankers abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellweg durch einen Anschlag begrenzt wird, dass in der mit Kurzschließen des Gleichstrommotors beginnenden Bremsphase die Momentanwerte des Kurzschlussstroms gemessen und daraus die Momentanwerte der Drehzahl ermittelt werden und aus einer plötzlichen Drehzahländerung auf einen Rotorstillstand am Anschlag geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ermittlung des Rotorstillstands am Anschlag eine Richtungsumkehrung anhand eines Vorzeichenwechsels des Kurzschlussstroms festgestellt wird.
Steuervorrichtung für einen Gleichstrommotor, der einen Stellantrieb über einen vorgegebenen Stellweg antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung an die Anschlüsse des Gleichstrommotors über einen ersten Schalter anlegbar ist, dass die Anschlüsse des Gleichstrommotors durch einen zweiten Schalter kurzgeschlossen werden können, dass beide Schalter durch einen Microcomputer gesteuert werden, dem als Messwerte die Momentanwerte von Versorgungsspannung des Gleichstrommotors und Motorstrom zugeführt werden, und dass der Microcomputer ein Programm ausführt, das anhand der Messwerte und des vorbestimmten Stellwegs einen Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Versorgungsspannung abgeschaltet und der erste Schalter geöffnet sowie der zweite Schalter geschlossen wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführt.
Stellantrieb für ein dynamisches Stellsystem, in dem der Bremsweg einen wesentlichen Anteil des gesamten Stellwegs ausmacht, insbesondere für eine Tür, einen Deckel oder eine Klappe in Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12.
Stellantrieb für ein Lenkschloß in Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13.