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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines
Fehlers in einem Wegsignal eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Bei
herkömmlichen
Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle zur Steuerung der Gaswechselventile
mechanisch über
eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur
Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs
bringt es erhebliche Vorteile, die Ventile der einzelnen Zylinder
individuell anzusteuern. Dies ist durch einen sogenannten vollvariablen
(veränderbare
Steuerzeiten und veränderbarer Ventilhub),
beispielsweise einen sogenannten elektromagnetischen Ventiltrieb
möglich.
Bei einem vollvariablen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders
eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit
werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht.
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Bei
einem Grundtyp (sogenannte Hubaktuatoren) sind einem Ventil oder
einer Ventilgruppe ein Öffnungs-
und ein Schließmagnet
zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben,
d.h. geöffnet
bzw. geschlossen werden.
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Bei
dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle
mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor
hin und her schwenkbar ist.
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Zur
Regelung eines Drehaktuators sind genaueste Sensorwerte erforderlich,
die eine Information wiedergeben über die momentane Position
des rotierenden Antriebselements und/oder des das Antriebselement
des Drehaktuators antreibenden Elementes selbst, z.B. die Position
des vom Rotor angetriebenen Betätigungselements
oder die Rotorposition selbst. Eine fehlerfreie Positionserfassung
ist daher zwingend erforderlich.
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Aus
der
DE 101 40 461
A1 ist eine Drehaktuatorvorrichtung zur Hubsteuerung eines
Gaswechselventils mit derartigen mechanischen Anschlägen bekannt.
Die Hubsteuerung der Gaswechselventile erfolgt hier über einen
kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit
einem drehfest verbundenen Steuernocken angeordnet ist. Beim Betrieb
der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Motor hin und
her und der Steuernocken drückt über einen
Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung.
Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer
Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft
der Ventilfeder beim Öffnen
des Gaswechselventils überwinden
muss, ist an die Welle eine zusätzliche
Feder angebracht. Die Kräfte
von Ventilfeder und zusätzlicher
Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung
entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie
entweder in der Ventilfeder (Schließfeder) oder in der zusätzlichen
Feder (Öffnungsfeder)
gespeichert ist. Die beschriebene Vorrichtung schlägt zur eindeutigen Positionierung
des Steuernockens in seinen Endlagen vor, das dieser mittels eines
ersten und mittels eines zweiten Drehanschlages eindeutig positioniert wird.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist allerdings, dass die Kalibrierung
von Wegsensoren zur Positionsbestimmung durch Anfahren von mechanischen Anschlägen nicht
für alle
Anwendungsfälle
eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweist und auftretende Fehler gegebenenfalls
nur unzureichend erfasst werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung
eines fehlerhaften Wegsensorsignals einer eingangs genannten Drehaktuatorvorrichtung
anzugeben, welches eine sichere Fehlererkennung des Sensors, des
Aktors oder des Ventiltriebs mit einfachen Mitteln gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
Demnach wird die Wegstrecke beziehungsweise den Rotorwinkel zwischen
mindestens zwei momentenneutralen Rotorpositionen oder zwischen
einem ortsfesten Bezugspunkt und einer metastabilen momentenneutralen
Rotorposition überwacht
und bei Abweichung um einen vorbestimmten Wert von einem vorgegebenen
Referenzwert ein Fehlersignal erzeugt.
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Die
Rotorwinkelüberwachung
erfolgt dabei vorzugsweise indem die auftretende Rotorauslenkung
und/oder der aufgenommene Motorstrom und/oder die auftretenden Drehmomente
an Öffnungsfeder
und/oder Schließfeder
ermittelt werden und mit dem/den Werten verglichen werden, die aufgrund
des Wegsensorsignals ermittelt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb
eines Gaswechselventils einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine,
und
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2:
den Momentenverlauf von Öffnungs – und Schließfeder einer
Drehaktuatorvorrichtung, die einlassseitig auf ein Gaswechselventil
wirkt und den sich einstellenden Hubverlauf des betätigten Gaswechselventils – schematisch
dargestellt in einem Diagramm.
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1 zeigt
die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb
eines Gaswechselventils
2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine.
Die wesentlichen Bestandteile dieser Vorrichtung sind ein, insbesondere
als Servomotor ausgebildeter Elektromotor
4 (Antriebseinrichtung), eine
von diesem angetriebene, vorzugsweise zwei Nocken
6a,
6b unterschiedlichen
Hubs aufweisende und drehfest mit der Rotorwelle verbundene Nockenwelle
6 (Betätigungselement),
ein mit der Nockenwelle
6 einerseits und mit dem Gaswechselventil
2 andererseits
in Wirkverbindung stehender Schlepphebel
8 (Übertragungselement)
zur Bewegungsübertragung der
durch die Nocken
6a,
6b vorgegebenen Hubhöhe auf das
Gaswechselventil
2 sowie ein, das Gaswechselventil
2 in
Schließrichtung
mit einer Federkraft beaufschlagendes und als Schließfeder ausgebildetes erstes
Energiespeichermittel
10 und ein, über die Nockenwelle
6 und
den Schlepphebel
8 das Gaswechselventil
2 mit
einer Öffnungskraft
beaufschlagendes und als Öffnungsfeder
ausgebildetes zweites Energiespeichermittel
12. Für die genaue
Wirkungsweise und mechanische Ausgestaltung der Drehaktuatorvorrichtung
wird auf die
DE 102
52 991 A1 verwiesen, die inhaltlich bezüglich des Drehaktuatoraufbaus
in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen wird.
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Um
einen möglichst
energiearmen Betrieb des Elektromotors 4, der über die
Nockenwelle 6 das vorhandene Gaswechselventil 2 antreibt,
zu gewährleisten,
wird neben der optimalen Auslegung der einander entgegenwirkenden
Federn (Schließfeder 10, Öffnungsfeder 12)
und der idealen Positionierung von Dreh- und Anlenkpunkten in der
Geometrie der Vorrichtung selbst, der Elektromotor 4 über eine Steuer-
und Regeleinrichtung 20 (im Folgenden Regeleinrichtung
genannt) gemäß einer Sollbahn,
die das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems abbildet
geregelt. Insbesondere erfolgt diese Regelung durch Regelung des
Rotorverlaufes des, das mindestens eine Betätigungselement 6, 6a, 6b antreibenden
Elektromotors 4. Der ideale Wegverlauf des Rotors, der
als Teil des Schwingungssystems mitschwingt, wird analog zum idealen
Schwingungsverlauf des Gesamtsystems rechnerisch ermittelt und bildet
die Sollbahn zur Regelung des Elektromotors 4. Zur Überwachung
der Istposition des Rotors ist ein nicht dargestellter Wegsensor
vorhanden, der ein Sensorsignal S an die Regeleinrichtung 20 oder
eine andere Steuereinrichtung übermittelt.
Der Elektromotor 4 wird derart durch die Regeleinrichtung 20 angesteuert,
dass das zumindest eine Gaswechselventil 2 von einer ersten Ventilendlage
E1, die beispielsweise der geschlossenen Ventilposition entspricht,
in eine zweite Ventilendlage E2, E2', die beispielsweise einer teilweise (E2': Teilhub) oder maximal
geöffneten
(E2: Vollhub) Ventilposition entspricht, überführt wird und umgekehrt. Bei
der Regelung des Elektromotors 4 wird der Rotor und damit
das mit dem Rotor wirkverbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b in
seiner Position entsprechend gesteuert, so dass der Rotor bzw. das
Betätigungselement 6, 6a, 6b analog
zur Schließposition
E1 des Gaswechselventils 2 eine Position im Wegebereich
des Nockengrundkreises, z.B. im Wegebereich zwischen R1 und R1' einnehmen wird und
analog zur zweiten Endlage E2, E2' eine Position im Wegebereich des Nockens 6a, 6b,
z.B. im Wegebereich zwischen R2 und R2' einnehmen wird. Das System ist idealerweise
so ausgelegt, dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b bei
Ausschluss (gezielte Nichtberücksichtigung)
der Umgebungseinflüsse
(insbesondere Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen
R1–R2
(Vollhub) oder R1'–R2' (Teilhub) ohne Einspeisung
zusätzlicher
Energie, also ohne aktiven Antrieb durch die Antriebseinrichtung 4,
zurücklegt
und somit nur bei den in der Praxis auftretenden Umgebungseinflüssen unterstützend eingreift.
Das System ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es in den Maximalendlagen
R1, R2 des Rotors (Schwingungsendlagen bei maximalem Schwingungshub)
sich jeweils in einer metastabilen momentenneutralen Position befindet,
in der sich die auftretenden Kräfte
in einem Kräftegleichgewicht
befinden und in der der Rotor ohne Aufbringung einer zusätzlichen
Haltekraft gehalten ist.
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Im
Besonderen ist in der ersten metastabilen und momentenneutralen
Position R1 (in 1 dargestellt) das Gaswechselventil 2 geschlossen
und somit die Schließfeder 10 unter
Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt, während die Öffnungsfeder 12 maximal
vorgespannt ist. Die Kraft der vorgespannten Öffnungsfeder 12 wird über ein ortsfestes
Abstützelement 6c der
Nockenwelle 6 auf diese übertragen und ist in der Position
R1 genau durch den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und
somit quasi neutralisiert. Auch die aufgrund der Rest-Vorspannung
vorhandene Kraft der Schließfeder 10 wird
in der beschriebenen Position neutralisiert, da diese über den
Schlepphebel 8 ebenfalls in den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet
ist.
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In
der nicht dargestellten zweiten metastabilen und momentenneutralen
Position R2 wäre
das Gaswechselventil 2 mit seinem Maximalhub gemäß dem Hauptnocken 6b geöffnet und
die um das Gaswechselventil 2 herum angeordnete Schließfeder 10 maximal
vorgespannt, während
die Öffnungsfeder 12 unter
Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt wäre. Die
Anordnung der einzelnen Komponenten ist derart gewählt, dass
wiederum die Kraft des maximal vorgespannten Federmittels (jetzt: Schließfeder 10)
und des maximal entspannten Federmittels (jetzt: Öffnungsfeder 12)
jeweils genau durch dem Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und
somit in dieser Position quasi neutralisiert sind.
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Eine
dritte, ebenfalls nicht dargestellte, stabile und momentenneutrale
Position R0 ist dann vorhanden, wenn das System einen sogenannten
abgefallen Zustand einnimmt, in dem die Nockenwelle 6 eine
Position zwischen den beiden ersten momentenneutralen Positionen
R1, R2 einnimmt. Aus der abgefallenen Position kann das System lediglich
mittels einem hohen Energieaufwand wieder herausgebracht werden,
in dem beispielsweise durch ein Anschwingen oder Hochschwingen der
Rotors die Nockenwelle 6 wieder in eine der beiden ersten
metastabilen momentenneutralen Positionen R1, R2 überführt wird
oder die Nockenwelle 6 zumindest bis zu einem Teilhub angeschwungen
wird, bei dem ein regulärer
Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung wieder möglich ist.
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Analog
zu den beschriebenen drei momentenneutralen Positionen R0, R1, R2
für den
Betrieb der Vorrichtung mittels dem Hauptnocken 6b können weitere
Positionen (nicht dargestellt) für
einen sogenannten Minimalhubbetrieb bei Betätigung des zweiten Nocken 6a vorhanden
sein. Für
diese weiteren drei momentenneutralen Positionen gilt das gleiche, wie
für die
zuvor beschrieben momentenneutralen Positionen R0, R1, R2.
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Bei
dem berechneten idealen Ausschwingverhalten schwingt der Rotor also
von einer Endposition E1, E1' in
die andere Endposition E2, E2' allein aufgrund
der in den Energiespeichermitteln 10, 12 gespeicherten
Kräfte
ohne Einspeisung einer zusätzlichen
Energie, etwa durch den Elektromotor 4.
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In
dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage
R1' zu einer korrespondierenden
zweiten Endlage R2' schwingt
(insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre das ideale
Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche
gleichbleibende Schwingung).
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Für den Fall,
dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu
einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt (insbesondere
bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre er jeweils
in den Endlagen R1, R2 in einer momentenneutralen Position gehalten
und müsste aus
dieser Position jeweils durch Einbringung einer impulsartigen Anstoßenergie
(Motorimpuls) wieder veranlasst werden die nächste Schwingung in die andere
Endlage vorzunehmen.
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Dadurch,
dass die Sollbahnen für
Vollhub und für
Teilhub dem Ausschwingverhalten der Drehaktuatorvorrichtung ohne
Reibungsverluste und ohne Gasgegendrücke entsprechen wird gewährleistet,
dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum
Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste und
der auftretenden Gasgegendrücke
ansteuert. Da Reibungsverluste hauptsächlich bei hohen Rotordrehzahlen
auftreten, muss der Elektromotor 4 bei hohen Drehzahlen
die größte Leistung
abgeben. Da dies mit dem energieoptimalen Betriebspunkt des Elektromotors 4 zusammenfällt, kann
durch die Regelung anhand idealisierter Sollbahnen des zu betreibenden
Aktuatorsystems ein energiesparsamer Betrieb des selben gewährleistet
werden.
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In 2 ist
der Momentenverlauf der beiden Energiespeichermittel 10, 12 (Öffnungs-
und Schließfeder)
der Drehaktuatorvorrichtung, die auf ein Gaswechselventil wirken
und der sich einstellende Hubverlauf des betätigten Gaswechselventils 2 schematisch
in einem Diagramm dargestellt. Dabei zeigt die Kurve KM_Schließfeder den
Momentenverlauf der Schließfeder 10 und
die Kurve KM_Öffnungsfeder den
Momentenverlauf der Öffnungsfeder 12 während des Öffnungsvorgangs
eines Gaswechselventils 2. Zur Veranschaulichung des Öffnungsvorgangs
ist analog in der Kurve KHubverlauf der
Hubverlauf des angesteuerten Gaswechselventils 2 dargestellt.
Darüber
hinaus sind die sich einstellenden momentenneutralen Positionen
R0, R1, R2 in den Punkten P0, P1, P2 veranschaulicht. Die erste
metastabile und momentenneutrale Position R1 des Rotors bzw. des
Betätigungselements 6, 6a, 6b,
während
des Schließzustand
des Gaswechselventils 2 bei Vollhub, stellt sich im Punkt P1
zu dem Zeitpunkt ein, wenn sich die Öffnungsfederkurve KM_Öffnungsfeder und
die Schließfederkurve KM_Schließfeder bei
positiv ansteigendem Kurvenverlauf der Öftnungsfederkurve KM_Öffnungsfeder schneiden.
Die zweite metastabile und momentenneutrale Position R2 des Rotors
bzw. des Betätigungselements 6, 6a, 6b während des Öffnungsvorgangs
des Gaswechselventils 2 bei Vollhub stellt sich im Punkt
P2 zu dem Zeitpunkt ein, wenn sich die Öffnungsfederkurve KM_Öffnungsfeder und
die Schließfederkurve
KM_Schließfeder bei
abfallendem Kurvenverlauf der Öffnungsfederkurve
KM_Öffnungsfeder und
ebenfalls abfallendem Kurvenverlauf der Schließfederkurve KM_Schließfeder schneiden.
Die vorstehend beschriebene stabile Zwischenposition R0 (auch abgefallene
oder abgeschwungene Position genannt) liegt dann vor, wenn sich Öffnungsfederkurve
KM_Öffnungsfeder und
Schließfederkurve KM_Schließfeder dann
schneiden, wenn die Öffnungsfederkurve
KM_Öffnungsfeder während ihres
abfallenden Verlaufs die ansteigende Schließfederkurve KM_Schließfeder schneidet.
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Die
dargestellten Momentenverläufe
sind proportional zum jeweiligen resultierenden Rückstellmoment
der Federkräfte
und damit proportional zur Stromaufnahme des Elektromotors 4.
Ausgehend von einer metastabilen Endposition R1 oder R2 in die der
Rotor bzw. das mit diesem drehfest verbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b aufgrund
einer vorgegebenen Steuerzeit unter Verwendung des Messsignals des
Wegsensors überführt wird,
wird in bestimmten Intervallen geprüft ob dass Messsignal des Wegsensors
korrekt ist. In einer eingenommenen Endposition R1, R2 versucht
jeweils die Öffnungsfeder
bzw. die Schließfeder 12, 10 die
Rotorwelle mittels der gespeicherten Federkraft zu beschleunigen, wenn
sich die Rotorwelle aus der jeweiligen Endposition bei Vollhub wegbewegt.
Durch ein langsames gesteuertes Verfahren (Bewegen, insbesondere
vor und zurück)
des Rotors nahe der jeweiligen metastabilen momentenneutralen Position
R1, R2 des Vollhubs kann an den sich einstellenden Stromwerten für die Stromaufnahme
des Elektromotors 4 die tatsächliche Momentennullstelle,
die von der per Wegsensor ursprünglich
vorgegebenen per vorgegebener Wegstrecke definierten Nullstelle
abweichen kann, gefunden werden. Durch Ermittlung des Stromminimums während der vorgenommenen
gesteuerten Rotorbewegung zum Zwecke der Wegsensorkalibrierung, kann
die tatsächliche
momentenneutrale Position bestimmt werden.
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Alternativ
kann die Kalibrierung des Wegsensors auch erfolgen, indem der Rotor
durch gezielte Ansteuerung des Elektromotors 4 über die
Regeleinrichtung 20 oder eine andere Regel- oder Steuereinheit
in eine zwischen den beiden metastabilen momentenneutralen Positionen
bzw. Endlagen (R1, R2; E1, E2) befindliche momentenneutrale stabile
Zwischenposition R0 überführt wird
und die eingenommene Zwischenposition R0 als Nullabgleich (bzw.
als Kalibrierungspunkt) für
die Kalibrierung des Wegsensors dient.
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Diese
Wegsensorkalibrierung eignet sich jedoch ausschließlich für die Kalibrierung
während
(geringen) Drehzahlen der zu steuernden Brennkraftmaschine in denen
eine ausreichende Verweildauer des Rotors in den Endpositionen R1,
R2 gewährleistet
ist, da nur während
der Verweildauer des Rotors in den momentenneutralen Endpositionen
R1, R2 der Rotor wie beschrieben zum Zwecke der Kalibrierung bewegt
werden kann. Bei hohen Drehzahlen erreicht der Rotor in der Regel
die momentenneutralen Endpositionen nicht, so dass hier eine derartige
Kalibrierung nicht möglich
ist. Ein Bewegen bzw. Verfahren des Rotors in der Zwischenposition
ist nicht erforderlich, da diese Position im Gegensatz zu den Metastabilen
Positionen R1, R2 ein-eindeutig definiert ist und so unmittelbar
anhand der eingenommenen stabilen Mittellageposition R0 der Wegsensor überprüft und ggf.
berichtigt werden kann.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Erkennung eines fehlerbehafteten Wegsensorsignals vorgesehen, wobei
dieser Fehler entweder durch einen defekten Sensor oder einen defekten
Aktor bzw. Ventiltrieb ausgelöst
werden kann. Die Fehlererkennung erfolgt dabei auf einfache Weise,
indem die Wegabstände bzw.
Rotorwinkelbereiche zwischen den momentenneutralen Positionen R1,
R2, R0 (P1, P2, P2',
P0) oder zwischen einem ortsfesten Bezugspunkt und einem oder mehreren
der metastabilen momentenneutralen Positionen R1, R2 mit einem hinterlegten
Referenzabstand bzw. Referenzwinkelbereich verglichen wird und bei
Abweichung um einen vorbestimmten Wert ein Fehlersignal generiert
wird. Die Erfindung beschränkt
sich nicht auf die Auswertung des Wertevergleichs der momentenneutralen
Positionen, sondern umfasst auch alle Auswertungen, die die beschriebene
Beziehung zwischen den momentenneutralen Positionen bzw. die Beziehung
zwischen einer metastabilen und momentenneutralen Position und einer
ortsfesten Vergleichsposition indirekt beschreiben, indem diese
einfach nur verschoben sind oder dergleichen. Beispielsweise könnte man
anstelle momentenneutraler Positionen, Positionen mit definierten
Rückstelllmomenten
als Vergleichspunkte heranziehen.