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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen
Servolenkung für
ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Aktuator, insbesondere
einem Elektromotor oder einem elektrischen Wandler oder elektrischen
Ventil, durch dessen Magnetspule oder Magnetspulen ein Strom fließt, der
von Halbleiterschaltern in Abhängigkeit
von pulsweitenmodulierten Spannungen gesteuert wird.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren
ist aus der noch nicht veröffentlichten,
DE 102 006 01 89 80 bekannt.
Ein zur Unterstützung
eines Lenkmoments vorgesehener Elektromotor einer elektrischen Servolenkung
weist dabei elektrische Spulen auf, deren Stromdurchfluss von einer
Steuer- und Regeleinheit beeinflusst und von einer Autobatterie
zur Verfügung gestellt
wird. Das vom Elektromotor aufgebrachte Drehmoment wird als lenkmoment-
unterstützendes Hilfsmoment
den Lenkstrang mittels eines Getriebes eingeleitet.
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Der
Elektromotor wird durch ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem
oder mehreren Mikro-Controller/n oder anwendungsspezifischen Schaltkreisen
(ASIC) und einem oder mehreren Halbleiterschaltern angesteuert.
Der Elektromotor soll mit einem bestimmten Signal, dem Sollstrom,
der als Parameter dem Mikro-Controller zugeführt wird, angesteuert werden.
Zur Regelung des Sollstroms wird der Ist-Strom mit einer geeigneten
Schaltung aus einem oder mehrerer Messwiderstände und Verstärker gemessen.
Zur Bereitstellung der dafür
erforderlichen Hilfsenergie kann eine elektrische Energiequelle
vorgesehen sein.
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In
einer ans sich bekannten Art und Weise weist der Elektromotor eine
oder mehrere Magnetspulen auf, durch welche ein Strom fließt, der
von einem oder mehreren Halbleiterschaltern, insbesondere einem
oder mehrerer Leistungstransistoren in Abhängigkeit der pulsweitenmodulierten
Spannung oder Spannungen gesteuert wird. Durch den Strom, der durch
die Magnetspule oder Magnetspulen fließt, wird das Moment erhöht oder
verringert.
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Da
der für
das jeweils vorgesehene Moment des Elektromotors notwendige (Spulen-)
Strom vorgegeben ist, erfolgt die Ansteuerung der Magnetspule oder
Magnetspulen mit einer konstanten Signalanstiegs- und Signalabfallgeschwindigkeit.
Je steiler die Signalflanken sind, desto mehr elektromagnetische Abstrahlung
wird vom Elektromotor, den Kabeln und dem Steuergerät an die
Umwelt abgegeben. Es ist demnach naheliegend, die Zeit für Signalanstieg
und Signalabfall groß zu
halten.
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Aus
der gattungsgemäßen, noch
nicht veröffentlichten
Schrift, der
DE 102 006
01 89 80 , ist zur Vermeidung von erhöhter elektromagnetischer Abstrahlung
die Signalanstiegs- und
Abfallzeit grundsätzlich
geringer und optional fest einstellbar.
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Bei
diesem Verfahren ist es nachteilig, daß die schaltenden Transistoren
während
des langsameren Schaltvorgangs mit hohem Strom, einen hohen Spannungsabfall
aufweisen, der zu einer erhöhten
Wärmeleistung
am Schalttransistor führt.
Um einer Zerstörung
des Transistors durch die entstehende Wärme vorzubeugen und die Lebenserwartung
zu erhöhen,
muß der
Transistor bei längeren
Signalanstiegs- und Abfallzeiten stärker gekühlt werden.
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Gemäß der gattungsgemäßen Schrift
ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des Transistors so erfolgt,
daß die
Zeitdauer des Schaltvorgangs wählbar
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Betrieb einer elektrischen Servolenkung vorzuschlagen, welches die
EMV- und Wärme- Abstrahlung von elektronischen
Bauteilen in einer einem elektrischen Aktuator zugeordneten Leistungsendstufe
vermindert.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Dadurch,
dass eine Anstiegs- und Abfallzeit eines pulsweitenmodulierten Signals
verändert
wird, werden die EMV- und Wärmeabstrahlung
von elektronischen Bauteilen einer Leistungsendstufe vermindet..
Dabei ist gemäß Anspruch
1 vorgesehen, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten des pulsweitenmodulierte
Signals zwar zufällig
verändert
wird, jedoch die zur Veränderung
der Anstiegszeit und/oder der Abfallzeit verwendete Zufallszahl
in einem vorgegebenen Zahlenbereich gemäß einer vorgegebenen Dichtefunktion
generiert wird. Hierdurch ist eine Einflussnahme auf den für die Variation
der Anstiegszeiten und/oder Abfallzeiten gesteuerten Stromanstieg eine
Gewichtung im EMV-Spektrum möglich.
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In
einer Ausführungsform
kann die vorgegebene Dichtefunktion dabei eine gleichmäßige Verteilung
auf den vorgegebenen Zahlenbereich bzw. auf das gewünschte Anstiegs- und/oder Abfallspektrum vorsehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen,
dass die vorgegebene Dichtefunktion zu einem Spektrum führt, bei
dem die Eintrittswahrscheinlichkeit sinkt, je weiter die Zeit von der
Grundzeit entfernt ist. Die Eintrittswahrscheinlichkeit für ein derartiges
Zeitsystem weist hierbei eine Trapez-, Dreiecks- bzw. Glockenform
auf.
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Durch
die Messung des Spulen- Ist-Stroms ergibt sich hinsichtlich des
Moments des Elektromotors, das vom Spulenstrom bestimmt ist, eine
weitgehende Unabhängigkeit
von einer Hilfsspannung und von einem parasitären Motorspulenwiderstand.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass die Variation der Anstiegszeit und/oder der Abfallzeit
jeweils durch eine Zahl selbst oder Multiplikation oder Addition
der zugeordneten, generierten Zufallszahl erfolgt.
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Die
ermittelten Zufallszahlen werden mit der Grundanstiegszeit und/oder
der Grundabfallzeit multipliziert oder addiert. Die Berechnung kann
für jeden Phasenzyklus
neu durchgeführt
werden. Eine Folge ist die Variation der Anstiegs- und/oder Abfallzeiten durch
Verlängern
oder Verkürzen
der Zeiten. Möglich ist
es grundsätzlich
auch, die Berechnung seltener, d.h. nicht in jedem Phasenzyklus
durchzuführen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf
einem Mikrocontroller eines Steuergerätes der elektrischen Servolenkung eine
Generatorfunktion die Zufallszahlen ermittelt.
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Das
Verfahren lässt
sich in konstruktiv einfacher und kostengünstiger Weise durchführen, wenn eine
Software-Generatorfunktion mit einem bestimmten Zahlenbereich vorgesehen
ist, die im Mikrocontroller Zufallszahlen anhand einer beliebigen,
definierten Dichtefunktion generiert. Alternativ dazu sind auch
andere Möglichkeiten,
die Zufallszahlen zu ermitteln bzw. zu generieren, nahegelegt. Insbesondere
kann auch ein Schaltkreis eines Steuergerätes der elektrischen Servolenkung
die Zufallszahlen ermitteln.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen„ dass nur
jeweils eine der beiden charakteristischen Zeiten, z.B. nur die
Anstiegszeit oder die Abfallzeit beeinflusst wird. Es ist auch vorgesehen,
beide charakteristischen Phasenzeiten zu beeinflussen.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante,
ist bei Motoren mit mehreren Magnetspulen vorgesehen, dass die Variation
der Anstiegszeiten und/oder der Abfallzeiten auf allen Magnetspulen
mit dem gleichen Gewicht und/oder der gleichen Dichtefunktion oder
mit unterschiedlichem Gewicht und/oder unterschiedlicher Dichtefunktion
erfolgt
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Die
durch die Variation der Anstiegszeit und/oder der Abfallzeit mittels
der Zufallszahlen veränderte
Zeit variiert in etwa um das Verhältnis oder den Betrag +/– a der
berechneten Abweichung. Die Variation der Einzelzeiten um das Verhältnis oder
den Betrag +/– a
führt folglich
zu einem vergleichsweise schmalen Spektrum um die Grundzeit. Für das Abstrahlverhalten
kann es jedoch vorteilhaft sein, ein möglichst breites, vorgebbares
Zeitspektrum zu nutzen.
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Deshalb
ist es vorgesehen, dass die Grundzeit des Anstiegs und/oder Abfalls
mit einer weiteren Zufallszahlenverteilung variiert wird.
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Die
Variation der Grundzeit mit Hilfe einer weiteren Zufallszahlenverteilung
führt zu
einer weiteren Spreizung des Zeitenspektrums. Die Berechnung kann
für jeden
Zyklus der pulsweitenmodulierten Spannung neu durchgeführt werden.
Möglich
ist es grundsätzlich
auch, die Berechnung seltener, d.h. nicht bei jedem Phasenzyklus
auszuführen.
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Die
Zufallszahlenverteilung kann vorzugsweise derart gewählt werden,
dass die variierte Grundzeit innerhalb eines vorgegebenen Spektrums, d.h.
innerhalb einer bestimmten unteren Zeit und einer bestimmten oberen
Zeit definiert ist. Die Spreizung des Spektrums erfolgt somit definiert.
Eine äußerst vorteilhafte
Lösung,
beispielsweise um bestimmte als besonders störend empfundene Abstrahlfrequenzen
nahezu vollständig
auszuschließen,
kann darin bestehen, durch eine geeignete Bestimmung der weiteren
Zufallszahlenverteilung einzelne Spektralteile des Zeitspektrums
auszublenden. Die Variation der Grundzeit der pulsweitenmodulierten
Spannung mit einer weiteren Zufallszahlenverteilung kann auch unabhängig von
der Variation der Anstiegszeit und/oder der Abfallzeit gemäß Anspruch
1 erfolgen. Dies ergibt sich aus dem unabhängigen Anspruch 10. Bereits
durch eine Spreizung des Zeitspektrums mit Hilfe einer Zufallszahlenverteilung wird
die Grundzeit derart variiert, dass das EMV-Verhalten verbessert,
insbesondere die EMV-Abstrahlung verringert wird. Die Veränderung
der Grundzeit führt,
genauso wie die Variation der Anstiegszeit und/oder der Abfallzeit,
dazu, dass die auftretenden, abgestrahlten Frequenzen stark in der
Amplitude reduziert und im Spektrum verteilt auftreten.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich
aus den weiteren Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
schematisch dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 ein
stark vereinfachtes Schema eines elektrischen Servolenksystems eines
Kraftfahrzeugs, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren betrieben wird;
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2 ein
Schema einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine
definierte Dichtefunktion A(x);
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4 ein
pulsweitenmoduliertes Signal U(t) bei dem beide charakteristischen
Anstiegs- und Abfallzeiten
mittels Zufallszahlen variiert sind;
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5 eine
charakteristische Generatorfunktion zur Ermittlung der Zufallszahlen
und das daraus resultierende Anstiegs- bzw. Abfallzeitspektrum;
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6 eine
schematische Darstellung des Ablaufes der Variation einer Anstiegszeit
und/oder einer Abfallzeit sowie einer Spreizung des Spektrums der
Grundzeit anhand einer weiteren Zufallszahlenverteilung;
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7 eine
Darstellung der Spreizung der Grundzeit innerhalb eines definierten
Zeitspektrums; und
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8 eine
Darstellung der Spreizung der Grundzeit innerhalb eines definierten
Zeitspektrums, wobei ein Spektralanteil ausgeblendet ist.
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Hilfskraftlenkungen
für Kraftfahrzeuge
sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt, wozu beispielsweise
auf die
EP 0 142 988 B1 verwiesen
wird. Aus dem Stand der Technik sind elektrische Servolenkungen
verschiedenster Bauart bekannt, weshalb nachfolgend nur auf die
für die
Erfindung wesentlichen Merkmale eingegangen wird.
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1 zeigt
ein elektrisches Servolenksystem 1 eines Kraftfahrzeuges.
Das elektrische Servolenksystem 1 weist eine als Lenkrad
ausgebildete Lenkhandhabe 2 auf. Das Lenkrad 2 ist über eine
Gelenkwelle 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbunden. Das
Lenkgetriebe 4 dient dazu, einen Drehwinkel der Gelenkwelle 3 in
einen Lenkwinkel von lenkbaren Rädern 5a, 5b des
Kraftfahrzeuges umzusetzen. Das Lenkgetriebe 4 weist eine
Zahnstange 6 und ein Ritzel 7 auf, an welches
die Gelenkwelle 3 angreift. Die Verschiebung der Zahnstange 6 wird
dabei durch einen bekannten Elektromotor 10 unterstützt, der
in üblicher
Weise eine oder mehrere Spulen aufweist, die entsprechend der gewünschten
Auslenkung der Räder 5a, 5b mit
einem elektrischen Strom beaufschlagt werden können. Der elektrische Strom
wird dabei durch eine Stromquelle erzeugt, die in üblicher
und nicht dargestellter Weise unter anderem einen Generator sowie
eine Autobatterie aufweist. Des Weiteren ist ein Steuergerät 11 vorgesehen,
welches zur Steuerung des Elektromotors 10 wenigstens einen
Leistungstransistor 14 vorsieht. Der Elektromotor 10 regelt
im Allgemeinen sowohl die Hilfskraft in die eine Lenkrichtung als
auch in die andere Lenkrichtung. Ein derartiger Aufbau ist aus dem
allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. 1 dient
lediglich dem allgemeinen Verständnis
bzw. der Zuordnung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb
einer elektrischen Servolenkung.
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2 zeigt
eine Schaltung zur Steuerung eines oder mehrerer Elektromotoren 10.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend die Steuerung eines Elektromotors 10 beschrieben.
Das Moment des Motors 10 wird durch dessen Magnetspule
oder Magnetspulen 13 bzw. dadurch, dass durch die Magnetspule
oder Magnetspulen 13 ein Strom fließt, gesteuert. Der Stromfluss
wird dabei von einem oder mehreren Halbleiterschaltern 14 in
Abhängigkeit
einer pulsweitenmodulierten Spannung bzw. eines oder mehrerer pulsweitenmodulierten
Signale 15 gesteuert. Das pulsweitenmodulierte Signal 15 wird
dabei gemäß 2 von
einem Mikrocontroller 16 vorgegeben. Alternativ dazu kann
das pulsweitenmodulierte Signal 15 auch von einem anwendungsspezifischen
Schaltkreis 17 erzeugt werden (in 1 dargestellt).
Der Elektromotor 10 und somit die Magnetspule oder Magnetspulen 13 soll
mit einem bestimmten Signal, dem Sollstrom 18, der als
Parameter dem Mikrocontroller 16 zugeführt wird, angesteuert werden.
Zur Regelung des Sollstroms 18 wird der Ist-Strom durch
die Magnetspule oder Magnetspulen 13 mit einer Schaltung
aus Messwiderstand oder Messwiderständen 19 und Verstärker oder
Verstärkern 20 gemessen.
Gemäß 2 ist
zur Bereitstellung der erforderlichen Hilfsenergie eine elektrische Energiequelle 21 dargestellt.
Die Messung der Spulenspannung oder Spulenspannungen 22, 23,
sowie die Messung der Versorgungsspannung 24 ist optional
zur Überwachung
der Funktion vorgesehen. Die Reihenfolge der Schaltungsteile 13, 14, 19 und 20 kann
in weiteren Ausführungsbeispielen
beliebig gewählt
werden.
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Gemäß der 2 ist
wenigstens eine Diode 25 vorgesehen, die als Freilaufdiode
für die
geschaltete Induktivität
dient. Die Diode kann dabei in dem als Halbleiterschalter ausführten Leistungsschalter integriert
sein.
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6 zeigt
eine Generatorfunktion 26, die als Software auf dem Mikrocontroller 16 ausgeführt wird
und innerhalb eines vorgegebenen bzw. bestimmten Zahlenbereichs
gemäß einer
vorgegebenen Dichtefunktion 27 Zufallszahlen generiert.
Eine vorteilhafte Dichtefunktion 27 A(x) ist in 3 dargestellt.
Dabei weist die Dichtefunktion 27 eine Glockenform auf,
deren Maximum bei "0", d.h. keine Abweichung
liegt und sich davon ausgehend zu den Werten x = +/– a erstreckt
bzw. abflacht. Die Werte für a
können
dabei beispielsweise derart gewählt
sein, dass die durch die Zufallszahlen zu variierende Anstiegszeit 28 bzw.
die Abfallzeit 29 um +/– 30% verändert werden. Auf diese Zahlenwerte
ist die erfindungsgemäße Lösung selbstverständlich nicht
beschränkt,
vielmehr können
in Abhängigkeit
des mit der elektrischen Servolenkung ausgestatteten Fahrzeugs unterschiedliche
Zahlenwerte zeckmäßig sein.
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Die
Zufallszahlen werden mit den Anstiegszeiten 28 und/oder
den Abfallzeiten 29 der gewünschten Grundzeit 18 überlagert,
insbesondere multipliziert oder addiert. Gemäß 6 ist vorgesehen,
dass die Anstiegszeiten 28 und die Abfallzeiten 29 der
gewünschten
Grundzeit 18 mit den aus der Generatorfunktion 26 ermittelten
Zufallszahlen bzw. der ermittelten Zufallszahl 27 multipliziert
werden. Die so berechnete Zeit weicht durch die Zufallszahlen von
der Grundzeit 18 um das bestimmte Verhältnis tGrund·a bzw.
tGrund·(–a) ab.
Die Grundzeit entspricht einer variierten Anstiegszeit 30 und
einer variierten Abfallzeit 31, die mit der Zufallszahl
der Dichtefunktion 27 multipliziert wurden. Im Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass die Berechnung für jeden Phasenzyklus neu erfolgt.
Dadurch ergibt sich eine durch die Zufallszahlen variierten Anstiegs- und
Abfallzeit 32, bei der die ursprünglichen Einzelzeiten 28, 29 verlängert bzw.
verkürzt
sind.
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6 zeigt
einen anstiegs- und abfallzeitenmodulierten Former 33,
dem die variierten Ansteigs- und Abfallzeiten 30, 31 als
Eingangsvariablen zugeführt
werden.
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4 zeigt
ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einer mittels der Zufallszahlen
variierten Anstiegszeit 30 und einer Abfallzeit 31.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass sowohl die Anstiegszeit 28 als auch
die Abfallzeit 29 durch die Multiplikation mit der Zufallszahl
zu entsprechend variierten Anstiegszeiten 30 bzw. Abfallzeiten 31 abgewandelt
werden.
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5 zeigt
ein aus der in 3 dargestellten Dichtefunktion 27 resultierendes
Zeitspektrum 34. Um ein möglichst breites Zeitenspektrum 34 zu erzeugen,
innerhalb dessen die Grundzeit t0 variiert werden kann, ist im Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass die Grundzeitanstiegs- und Abfallzeit t0 der pulsweitenmodulierten
Spannung in einem Generator 35 mit einer weiteren Zufallszahlenverteilung 36 variiert
wird. Die Berechnung kann dabei für jeden Phasenzyklus neu durchgeführt werden.
Möglich
ist es grundsätzlich
auch, die Berechnung seltener, d.h. nicht bei jedem Phasenzyklus
auszuführen.
Der Generator 35 für
die Grundzeit t0 erhält
als Eingabewert zusätzlich
zu der Zufallszahlenverteilung 36 die Grundzeit 18.
Durch den Zeitgenerator 35 wird die Grundzeit t0 variiert.
Diese variierte Grundzeit t0' wird gemäß 6 einem
Generator 38 der Anstiegszeit bzw. einem Generator 39 der
Abfallzeit zugeführt.
Die Generatoren 38, 39 ermitteln im Folgenden
die Anstiegszeiten 28 bzw. die Abfallzeiten 29,
die als Grundlage zur Variation der Zufallszahlen dienen.
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7 zeigt
eine Spreizung des Zeitenspektrums 34, wobei das Zeitenspektrum 34 durch
einen bestimmten unteren Zeitwert tmin und einen oberen Zeitwert
tmax definiert ist. Die Spreizung ergibt sich dabei durch die in 6 schematisch
gezeigten und im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren d.h. die
Variation der Grundzeit t0 durch die weitere Zufallszahlenverteilung 36 sowie
die Variation der Anstiegszeit 28 und der Abfallzeit 29 durch
die Zufallszahlen, die mittels der Generatorfunktion 26 ermittelt wurden.
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Das
in 7 dargestellte Zeitenspektrum 34 kann
sich auch nur durch eine Variation der Grundzeit durch die Zufallszahlenverteilung 36 ergeben.
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8 zeigt
eine Variation des in 7 dargestellten Zeitenspektrums 34,
wobei ein Spektralanteil 40 durch eine geeignete Bestimmung
der weiteren Zufallszahlenverteilung 36 aus dem Zeitenspektrum 34 ausgeblendet
ist.
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- 1
- Elektrisches
Servolenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a
- Räder
- 5b
- Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- Lenkgetriebe
- 9
- Zahnstangenführung
- 10
- Elektromotor
- 11
- Steuergerät/Autobatterie
- 12
- Getriebe
- 13
- Magnetspule
- 14
- Halbleiterschalter
- 15
- pulsweitenmoduliertes
Signal
- 16
- [mu]-Controller
- 17
- Schaltkreis
- 18
- Sollstrom
- 19
- Messwiderstand/Messwiderstände
- 20
- Verstärker
- 21
- elektrische
Energiequelle
- 22
- Spulenspannung
- 23
- Spulenspannung
- 24
- Versorgungsspannung
- 25
- Diode
- 26
- Generatorfunktion
- 27
- Dichtefunktion
- 28
- Anstiegszeiten
- 29
- Abfallzeitenzeiten
- 30
- veränderte Anstiegszeitenzeiten
- 31
- veränderte Abfallzeiten
- 32
- durch
Zufallszahlen im Anstieg und Abfall variiertes pulsweitenmoduliertes
Signal
- 33
- pulsweitenmodulierter
Former
- 34
- Zeitspektrum
- 35
- Zeitengenerator
- 36
- weitere
Zufallszahlenverteilung
- 38
- Generator
der Anstiegszeiten
- 39
- Generator
der Abfallzeiten
- 40
- Spektralanteil
- t0
- Grundzeit
- t0'
- variierte
Grundzeit