DE102012005685A1

DE102012005685A1 - Bedienmodul für eine technische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102012005685A1
Application number: DE201210005685
Authority: DE
Inventors: Sebastian Mojrzisch; Florian Schiedeck; Jörg Wallaschek
Original assignee: Athena Technologie Beratung GmbH
Current assignee: Athena Technologie Beratung GmbH
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Bedienmodul für eine technische Vorrichtung, wobei das Bedienmodul in einem Bedienfeld der technischen Vorrichtung angeordnet ist, mit einer beweglich angeordneten Betätigungseinheit und mit einer die Betätigungseinheit aufnehmenden Halteeinheit, wobei die Betätigungseinheit durch Bestromung eine Aktors mit einem Aktorstrom wenigstens aus einer ersten Betriebsstellung in eine zweite Betriebsstellung verbringbar ist, wobei die Halteeinheit einen ortsfesten ersten Aktorteil und die Betätigungseinheit eine relativ zu dem ersten Aktorteil beweglich gehaltenen zweiten Aktorteil aufweist und wobei der Aktorstrom zur Realisierung einer veränderlichen Kraft-Weg-Kennlinie der Betätigungseinheit zeit- und/oder ortsvariabel einstellbar ist, wobei zur Realisierung einer sensorlosen Bestimmung einer Position der Betätigungseinheit relativ zur Halteeinheit der Aktorstrom eine erste Aktorstromkomponente und eine der ersten Aktorstromkomponente überlagerte zweite Aktorstromkomponente aufweist, wobei die erste Aktorstromkomponente als eine Gleichstromkomponente und die zweite Aktorstromkomponente als eine Wechselstromkomponente ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienmodul für eine technische Vorrichtung, wobei das Bedienmodul in einem Bedienfeld der technischen Vorrichtung angeordnet ist, mit einer beweglich angeordneten Betätigungseinheit und mit einer die Betätigungseinheit aufnehmenden Halteeinheit, wobei die Betätigungseinheit durch Bestromung eines Aktors mit einem Aktorstrom wenigstens aus einer ersten Betriebsstellung in eine zweite Betriebsstellung verbringbar ist, wobei die Halteeinheit einen ortsfesten ersten Aktorteil und die Betätigungseinheit einen relativ zu dem ersten Aktorteil beweglich gehaltenen zweiten Aktorteil aufweist und wobei der Aktorstrom zur Realisierung einer veränderlichen Kraft-Weg-Kennlinie der Betätigungseinheit zeit- und/oder ortsvariabel einstellbar ist.
Technische Vorrichtung wie beispielsweise Haushaltsgeräte (Waschmaschinen, Trockner, Geschirrspüler und dergleichen) oder Geräte der Unterhaltungselektronik (CD- bzw. DVD-Rekorder, Spielkonsolen und dergleichen) werden zunehmend komplexer. Die Bedienung der Geräte soll gleichwohl in einfacher Weise möglich sein. Aus diesem Grunde sind die Hersteller bemüht, das Bedienfeld übersichtlich und einfach zu gestalten. Beispielsweise werden Bedienmodule verwendet, die eine beweglich angeordnete und aktiv steuerbare Betätigungseinheit aufweisen. Die Betätigungseinheit ist in einer ersten Betriebsstellung des Bedienmoduls verdeckt bzw. oberflächenbündig in einem Bedienfeld der Vorrichtung angeordnet. In dieser ersten Betriebsstellung ist die Betätigungseinheit für einen Nutzer nicht oder kaum wahrnehmbar. In einer zweiten Betriebsstellung wird die Betätigungseinheit zur Aktivierung des Bedienmoduls erhaben zum Bedienfeld angeordnet. In der zweiten Betriebsstellung ist die Betätigungseinheit für den Nutzer gut erkennbar.
Ein derartiges Bedienmodul schlägt beispielsweise die DE 101 28 908 A1 vor. Hier ist ein Bedienfeld mit einer Reihe von matrixartig nebeneinander angeordneten Bedienmodulen vorgesehen. Die einzelnen Bedienmodule können einzeln aktorisch gesteuert und individuell aus der ersten Betriebsstellung in die zweite Betriebsstellung und zurück verbracht werden. Als Aktor ist beispielsweise ein Elektromagnet (Hubmagnet) vorgesehen. Der Hubmagnet kann hierbei in einer Weise bestromt werden, dass der Nutzer bei der Betätigung des Bedienmoduls, d. h. beim Zurückdrücken der Betätigungseinheit aus der zweiten Betriebsstellung in Richtung des Bedienfelds, eine variable, insbesondere individuell einstellbare Gegenkraft spürt. Diese Gegenkraft kann durch die veränderliche Bestromung des Hubmagneten variiert werden. Durch die Variation des Aktorstroms können quasi virtuell unterschiedliche Kraft-Weg-Kennlinien für die Betätigungseinheit realisiert werden. Hierbei wird die Position der Betätigungseinheit über Sensoren, insbesondere Positionssensoren erfasst. Nachteilig ist jedoch, dass die erfassende Position der Betätigungseinheit über Sensoren vergleichsweise teuer ist und insbesondere mechanische Sensoren überdies Verschleiß unterliegen. Hierdurch ist die Lebensdauer des Bedienmoduls begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bedienmodul für technische Vorrichtungen derart weiter zu bilden, dass dies möglichst kostengünstig realisiert und die Verschleißanfälligkeit reduziert werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung einer sensorlosen Bestimmung einer Position der Betätigungseinheit relativ zur Halteeinheit der Aktorstrom eine erste Aktorstromkomponente und eine der ersten Aktorstromkomponente überlagerte zweite Aktorstromkomponente aufweist, wobei die erste Aktorstromkomponente als eine Gleichstromkomponente und die zweite Aktorstromkomponente als eine Wechselstromkomponente ausgebildet ist.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Bedienmodul sensorlos realisiert werden kann. Sensorlos bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine zusätzlichen mechanischen oder optischen Kraft- und/oder Wegsensoren erforderlich sind, sondern lediglich rein elektrische Signale erfasst und ausgewertet werden. Das Bedienmodul ist hierdurch besonders kostengünstig und verschleißarm. Es ist zudem einfach aufgebaut und robust. Die Positionserfassung erfolgt durch so genanntes „Self Sensing”, d. h. durch Auswertung von Betriebsparametern, die in Abhängigkeit von der Position und der Betätigungseinheit variieren und geeignet sind, die Position der Betätigungseinheit sensorlos zu bestimmen.
Vorliegend wird der Aktorstrom durch eine erste Aktorstromkomponente und durch eine zweite Aktorstromkomponente definiert. Die erste Aktorstromkomponente ist als Gleichstromkomponente realisiert. Neben dem Luftspalt definiert im Wesentlichen diese erste Aktorstromkomponente die Kraft, die zur Betätigung der Betätigungseinheit durch den Nutzer aufgebracht werden muss. Durch Variation der ersten Aktorstromkomponente kann die zur Positionsveränderung benötigte Betätigungskraft eingestellt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Betätigung zunächst einen geringen Kraftaufwand erfordert, dass der Kraftaufwand für die weitere Betätigung steigt und nach Erreichen eines Maximums abfällt. Insbesondere kann die typische Kraft-Weg-Kennlinie eines mechanischen, federbeaufschlagten Druckknopfs beispielhaft mit einer ausgeprägten Druckschwelle durch geeignete Bestromung des Aktors nachgebildet werden. Die zweite Aktorstromkomponente ist als eine Wechselstromkomponente realisiert. Sie ist der ersten Aktorstromkomponente überlagert. Frequenz und Amplitude der Wechselstromkomponente sind vorteilhaft so gewählt, dass sie lediglich geringen oder keinen spürbaren Einfluss auf die Betätigungskrafthaben. Sie dient vielmehr als Auswertesignalgröße zur Bestimmung der Position der Betätigungseinheit.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Wechselstromkomponente des Aktorstroms als eine periodische Wechselstromkomponente, insbesondere als eine sinusförmige oder als rechteckförmige Wechselstromkomponente ausgebildet. Vorteilhaft können periodische und insbesondere harmonische Wechselstromkomponenten in besonders einfacher Weise erzeugt und ausgewertet werden. Sinusförmige, sägezahnförmige und rechteckförmige Wechselstromkomponenten haben hierbei den Vorteil, dass die Signalverarbeitung zuverlässig erfolgt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Aktor als ein Elektromagnet ausgebildet. Abhängig von der Position der Betätigungseinheit relativ zur Halteeinheit und von der Aktorstromstärke ändert sich eine Induktivität der Spule des Aktors, wobei die Induktivität der Spule als Teil des Aktors insbesondere auch durch die Größe und die konstruktive Gestaltung des Luftspalts zwischen Anker und Joch beeinflusst wird. Vorteilhaft sind Elektromagnetaktoren kostengünstig und in großer Stückzahl verfügbar. Sie sind bauartbedingt aufgrund der Linearbewegung besonders geeignet, die häufig lineare Stellbewegung eines konventionellen Bedienmoduls, insbesondere eines Druckknopfes und/oder Zugknopfes, nachzubilden. Auf ein Getriebe oder dergleichen und auf eine Wandlung einer beispielsweise rotatorischen Stellbewegung in eine lineare Stellbewegung kann verzichtet werden. Überdies sind die Aktoren besonders robust und langlebig, so dass sie unter den üblichen Betriebsbedingungen dauerhaft quasi wartungsfrei betrieben werden können.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestimmung der Position der Betätigungseinheit eine Phasenverschiebung zwischen einer Wechselspannungskomponente der Aktorspannung und der Wechselstromkomponente des Aktorstroms ermittelt. Indem sich aufgrund des veränderlichen Luftspalts und Aktorstroms die Induktivität der Spule abhängig von der Position der Betätigungseinheit und der Aktorstromstärke (insbesondere Gleichstromkomponente) verändert, verändert sich in realen, dissipativen Systemen auch die Phase zwischen der Wechselspannungskomponente und der Wechselstromkomponente. Die Phasenverschiebung kann ermittelt werden und als Maß für die Position der Betätigungseinheit relativ zur Halteeinheit dienen. Der konstruktive Aufbau des Aktors sowie die Frequenz und Amplitude der Wechselstromkomponente des Aktorstroms können so gewählt werden, dass eine hinreichende Auflösung der Position der Betätigungseinheit gewährleistet ist ohne dabei die Betätigungskraft spürbar zu beeinflussen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass entweder die Position der Betätigungseinheit relativ zur Halteeinheit unabhängig von einer auf die Betätigungseinheit wirkenden Kraft oder die Kraft unabhängig von der Position der Betätigungseinheit einstellbar und insbesondere eine Kombination beider Betriebsarten möglich ist. Vorteilhaft kann hierdurch entweder eine Positionsregelung realisiert oder unabhängig von der Position der Betätigungseinheit eine Kraft vorgegeben werden. Insbesondere kann eine Kraft auch zwischen den zwei fixen Betriebsstellungen der Betätigungseinheit entsprechend einer vorgegebenen und nahezu beliebig veränderlichen Kraft-Weg-Kennlinie variiert werden. Die Position der Betätigungseinheit kann hierbei sensorlos und quasi systemimmanent beispielsweise durch Auswertung der Phasendifferenz zwischen der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung und der Wechselstromkomponente des Aktorstroms bestimmt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mit Hilfe der Steuereinheit die Position der Betätigungseinheit unter Berücksichtigung einer Frequenz der Wechselstromkomponente des Aktorstroms aus der Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung und der Wechselstrompomonente des Aktorstroms bestimmbar. Ebenso kann die Position der Betätigungseinheit aus der Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung und der Wechselstromkomponente des Aktorstroms unter Berücksichtung des konstruktiven Aufbaus des Aktors ermittelt werden. Vorteilhaft kann durch die Berücksichtigung der Frequenz des Aktorstroms und des konstruktiven Aufbaus des Aktors bei der Einstellung des Aktorstroms die Position aus der Phasenverschiebung besonders exakt ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Aktor nach einer konkreten Bauform eingemessen werden, um den Einfluss des konstruktiven Aufbaus experimentell und/oder rechnerisch zu ermitteln.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Auswertung der Amplitude der Gleichstromkomponente des Aktorsstroms realisiert, um die Kraft der Betätigungseinheit zu bestimmen. Hierbei wird die Gleichstromkomponente ausgewertet und über den Aktorstrom-Luftspalt-Kraft Zusammenhang bei einem vorgegebenen Luftspalt die Kraft der Aktorkomponente vorgegeben. Dies geschieht in Form einer Regelung der Gleichstromkomponente des Aktorstroms. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Einsatz von Pulsweitenmodulation (PWM) der Aktorspannungskomponente besonders vorteilhaft ist, da PWM eine Gleichspannungs- und Wechselspannungskomponente enthält. Vorteilhaft gelingt es dadurch, dem Benutzer beim Betätigen der Aktorkomponente einen eingeprägten Kraft-Weg-Verlauf vorzugeben, wodurch nahezu beliebige haptische Rückkopplungen realisiert werden können.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der den konstruktiven Aufbau abbildende Zusammenhang zwischen der Position der Betätigungseinheit und der Induktivität der Spule des Aktors in einem der Steuereinheit zugeordneten Datenspeicher abgelegt oder durch ein Polynom approximiert. Durch den bekannten, im Speicher abgelegten oder durch ein Polynom approximierten Zusammenhang besteht die Möglichkeit, die Position in einfacher Weise hinreichend exakt zu erkennen und beispielhaft mit Hilfe eines PID-Reglers zu regeln. Ein besonders hohes Maß an Genauigkeit kann erreicht werden, wenn das Bedienmodul für verschiedene Mittelwerte des Stroms (erste Aktorstromkomponente) kalibriert wird, da auch der Mittelwert des Aktorstroms Einfluss auf die Induktivität der Spule des Aktors und damit den Zusammenhang zwischen Position und Phasenverschiebung haben kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer technischen Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Bedienmodul in einer ersten Betriebsstellung,
2 das Bedienmodul nach 1 in einer zweiten Betriebsstellung,
3 das Bedienmodul nach 1 in einer Zwischenstellung,
4 einen zeitlichen Verlauf einer Bestromung des Bedienmoduls nach 1,
5 eine Kraft-Weg-Kennlinie des Bedienmoduls nach 1 und
6 eine Auswerteschaltung für das Bedienmodul nach 1.
In einer technischen Vorrichtung 1 ist in einem Bedienfeld 2 derselben eine Ausnehmung 3 vorgesehen zur Aufnahme eines Bedienmoduls 4. Bei der technischen Vorrichtung 1 handelt es sich beispielsweise um eine Waschmaschine, einen Trockner oder ein anderes Haushaltsgerät. Selbstverständlich kann das Bedienmodul auch in jeder anderen technischen Vorrichtung und insbesondere auch außerhalb von Haushaltsgeräten vorgesehen sein.
Das Bedienmodul 4 dient zur Realisierung eines Schalters bzw. Tasters für die technische Vorrichtung 1. Das Bedienmodul 4 weist als wesentliche Komponenten eine Betätigungseinheit 5 und eine die Betätigungseinheit 5 aufnehmende Halteeinheit 6 auf. Hierbei ist das Bedienmodul 4 als ein aktives Bedienmodul 4 mit einem ortsfest in der technischen Vorrichtung 1 angeordneten Joch 7 nach Art eines Elektromagneten, insbesondere als Hubmagnet realisiert. Der Elektromagnet weist das Joch 7, eine Spule 8 und einen in Bezug zum Joch 7 längs verschiebbar vorgesehenen Anker 9 auf. Hierbei sind das Joch 7 und die Spule 8 der Halteeinheit 6 und der Anker 9 der Betätigungseinheit 5 zugeordnet.
Durch das elektromagnetische Zusammenwirken von Joch 7, Spule 8 und Anker 9 kann bei geeigneter Bestromung der Spule 8 mit einem Aktorstrom i der Anker 9 in Längsrichtung relativ zum Joch 7 verschoben werden. Durch diese Längsbewegung (Hubbewegung) der an den Anker 9 gekoppelten Betätigungseinheit 5 kann das Bedienmodul 4 aus einer ersten Betriebsstellung nach 1 in eine zweite Betriebsstellung nach 2 oder in eine Zwischenbetriebsstellung nach 3 verbracht werden. In der ersten Betriebsstellung ist ein dem Nutzer zugewandter Kopfabschnitt 10 der Betätigungseinheit 4 im Wesentlichen flächenbündig mit dem Bedienfeld 2 der Vorrichtung 1 angeordnet. Zwischen dem Anker 9 und der dem Joch 7 ist in der ersten Betriebsstellung ein Luftspalt d maximaler Größe ausgebildet. Insbesondere aufgrund einer dem Kopfabschnitt 10 überdeckenden, flexiblen, das Bedienfeld 2 überspannenden Membran 11 ist das Bedienmodul 4 in der ersten Betriebsstellung für den Nutzer nicht bzw. kaum zu erkennen. In der zweiten Betriebsstellung ist der Kopfabschnitt 10 der Betätigungseinheit 5 erhaben in Bezug zu dem Bedienfeld 2 angeordnet. In Folge der erhabenen Anordnung ist das Bedienmodul 4 für den Nutzer gut erkennbar. Der Nutzer wird animiert, im Rahmen der Bedienung der technischen Vorrichtung 1 die Betätigung des Bedienmoduls 4 durchzuführen oder ernsthaft in Erwägung zu ziehen. Der Luftspalt d ist in der zweiten Betriebsstellung minimal und kann insbesondere zu Null werden. Eine Überhöhung h, die zur maximalen Breite des Luftspalts d korrespondiert, ist in der zweiten Betriebsstellung maximal. Aus der zweiten Betriebsstellung kann die Betätigungseinheit 5 um einen Betätigungsweg s teilweise oder vollständig in Richtung des Bedienfelds 2 zurückgedrückt werden, um eine dem Bedienmodul 4 zugeordnete Funktion auszuführen. Die Rückstellung der Betätigungseinheit 5 im unbestromten Zustand kann durch die federnd wirkende Membran 11 oder eine zusätzliche, nicht dargestellte Rückstellfeder erfolgen.
Durch die Möglichkeit, das Bedienmodul 4 in der ersten Betriebsstellung verdeckt und in der zweiten Betriebsstellung gut wahrnehmbar in dem Bedienfeld 2 der Vorrichtung 1 anzuordnen, wird die Möglichkeit geschaffen, dem Nutzer situativ, insbesondere abhängig von jeweiligen Betriebszustand oder -modus der Vorrichtung 1, die Betätigung des Bedienmoduls 4 anzubieten bzw. nahezulegen. Demzufolge können für den Benutzer nicht auswählbare Tasten bzw. Schalter oder Tasten bzw. Schalter, die aufgrund des jeweiligen Betriebszustands der Vorrichtung 1 üblicherweise nicht betätigt werden, quasi „unsichtbar” in dem Bedienfeld 2 angeordnet werden. Die Bedienbarkeit der Vorrichtung 1 wird erleichtert, da das Bedienfeld 2 am aktuellen Betriebszustand angepasst werden kann und in hohem Maße übersichtlich ist.
Durch geeignete Bestromung der Spule 8 mit dem Aktorstrom i kann dem Bedienmodul 4 eine variable Kraft-Weg-Kennlinie zugewiesen werden. Hierbei verändert sich die Widerstandskraft beim Betätigen des Bedienmoduls 4 in Abhängigkeit von der Position der Betätigungseinheit 5 relativ zu Halteeinheit 6 und von der Stromstärke des Aktorstroms i. Es wird in sofern ein haptisches System geschaffen, dessen Bediencharakteristik in weiten Bereichen variabel festgelegt und beispielsweise der bekannten Bediencharakteristik eines mechanischen Druckknopfs mit Federbeaufschlagung nachgebildet werden kann. Beispielsweise kann die variable Kraft-Weg-Kennlinie so geschaltet werden, dass die Betätigung erschwert wird, wenn die Ausführung einer dem Taster bzw. Schalter zugeordneten Funktion in dem aktuellen Betriebszustand ungewöhnlich, nutzlos oder gar schädlich ist. Der Nutzer wird dann durch den erforderlichen erhöhten Kraftaufwand bei der Betätigung quasi immanent einen unerwarteten Widerstand spüren und sein Tun überdenken. In 5 sind exemplarisch drei Kraft-Weg-Kennlinien dargestellt, die durch Variation des Aktorstroms i realisiert werden können.
Um die Kraft-Weg-Kennlinie wie gewünscht variabel festlegen zu können, muss die Relativposition zwischen der Betätigungseinheit 5 und der Halteeinheit 6 bekannt sein. Die Erfassung der Position erfolgt hierbei sensorlos durch ein so genanntes „Self Sensing”. Hierbei wird aus den elektrischen Signalen, welche zur Ansteuerung des Aktorstroms i dienen, und einer bekannten Antwortcharakteristik des Systems die Position der Betätigungseinheit 5 ermittelt. Weiterhin kann durch „Self Sensing” die Betätigung der Betätigungseinheit 5 durch den Nutzer erfasst werden, so dass auf zusätzliche mechanische und/oder elektrische Schalter verzichtet werden kann, um das eigentliche Schaltereignis auszulösen.
Zur Positionsauswertung ist der Aktorstrom i nach 4 durch eine erste, langsam veränderliche bzw. quasistationäre erste Aktorstromkomponente i₁ und durch eine überlagerte zweite Aktorstromkomponente i₂ gebildet, wobei die zweite Aktorstromkomponente i₂ als eine periodische Wechselstromkomponente i₂ ausgebildet ist. Die Stromkomponenten i₁ und i₂ werden durch entsprechende an der Spule 8 angelegte Spannungskomponenten (erste langsam veränderliche bzw. quasistatische Spannungskomponente und Wechselspannungskomonente) eingeprägt. Die erste Aktorstromkomponente i₁ dient im Wesentlichen zum Aufbringen einer Aktorkraft F, die zum Verbringen der Betätigungseinheit 5 in eine gewünschte Betriebsstellung und/oder als Gegenkraft bei der Betätigung des Bedienmoduls 4 durch den Nutzer erforderlich ist. Die Wechselstromkomponente i₂ dient demgegenüber als Mess- bzw. Signalgröße, wobei sich in Folge einer Änderung des Luftspalts d zwischen dem Joch 7 und dem Anker 9 eine Induktivität L_var der Spule 8 ändert. Durch die Induktivitätsänderung verändert sich eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselstromkomponente i₂ und der Wechselspannungskomponente. Diese Phasenverschiebung kann detektiert werden und dient als Maß für die relative Position von Betätigungseinheit 5 und Halteeinheit 6 zueinander.
5 zeigt beispielhaft die Kraft-Weg-Kennlinie des Bedienmoduls 4 in Abhängigkeit von Aktorstrom i. Durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung von Joch 7 und Anker 9 kann eine gezielte Kennlinienbeeinflussung des Hubmagneten vorgenommen werden. Die für den Nutzer spürbare Haptik, die der beispielhaft dargestellten Kraft-Weg-Kennlinie entspricht, kann durch eine vom Luftspalt d abhängige variable Einstellung des Aktorstroms i realisiert werden.
Zur Detektion der Phasenverschiebung dient eine Steuereinheit 18 gemäß 6. Hier ist die Spule 7 durch ein elektrisches Ersatzmodel mit der Induktivität L_var und einem Widerstand R abgebildet. Als zentrales Element ist weiter ein Mikrocontroller 12 mit zwei CCP-Modulen (Capture-Compare-PWM) und einem ADC-Modul (Analog-Digital-Converter) vorgesehen. Ein erstes CCP-Modul wird zur Erzeugung eines Pulsweitensignals 13 genutzt. Das Pulsweitensignal 13 besitzt einen Pegel zwischen 0 Volt und einer Versorgungsspannung und hat vorzugsweise eine Frequenz von mehr als 200 Hz, um ein unangenehmes, ungewünschtes Brummen zu verhindern. Die Frequenz des Pulsweitensignals 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung fest und wird während des Betriebs nicht verändert.
Das Pulsweitensignal 13 setzt sich aus einem Mittelwert und harmonischen Anteilen zusammen. Von Interesse für die Auswertung sind vorliegend nur der Mittelwert sowie die die Grundharmonische des Wechselanteils. Das Pulsweitensignal 13 wird zur Bestimmung der Position der Betätigungseinheit 5 durch einen Verstärker 14 verstärkt. Der Strom i wird durch den Verstärker über einen Messwiderstand R_mess gemessen. Daneben wird die Spannung u erfasst. Der Aktorstrom i und die Spannung u werden jeweils einem Bandpassfilter 15 zugeführt. Die Bandpässe 15 sind auf die Frequenz des Pulsweitensignals 13 so abgestimmt, dass sie die Grundharmonische des Pulsweitensignals 13 durchlassen.
Da die Grundharmonische in Abhängigkeit vom Tastverhältnis ihre Amplitude ändert, ist den Bandpässen 15 jeweils ein Komparator 16 nachgestaltet. Dieser wandelt die Ausgänge der Bandpässe 15 in ein Rechtecksignal. Je nach Induktivität der Spule 8 ändert sich die Phasenverschiebung zwischen Strom i und Spannung u. Die Phasenverschiebung kann dann z. B. aus der zeitlichen Verzögerung der Flanken von Strom i und Spannung u am Ausgang der Komporatoren 16 ermittelt werden. Hierzu dient das zweite CCP-Modul des Mikrocontrollers.
Der Zusammenhang zwischen der Position der Betätigungseinheit 5 relativ zur Halteeinheit 6 und der Phasenverschiebung zwischen Strom i und Spannung u ist abhängig von der Frequenz bzw. vom Tastverhältnis des Pulsweitensignals 13 und vom konstruktiven Aufbau des Elektromagneten (Aktor 7). Dieser Zusammenhang wird für vorgegebene PWM-Frequenzen gemessen und entweder in einer Tabelle abgelegt oder durch ein Polynom approximiert. Ist der Zusammenhang bekannt, kann die Positionserkennung bzw. eine Positionsregelung beispielhaft durch einen PID-Regler realisiert werden. Unter Umständen muss die Messung für verschiedene Mittelwerte des Stroms i₁ durchgeführt werden, wenn dieser die Positionsbestimmung ebenfalls beeinflusst.
Die Gleichstromkomponente des Stroms i₁ des Pulsweitensignals 13 wird über einen Tiefpass 17 ausgewertet und dem ADC-Modul des Mikrocontrollers 12 zugeführt. Die Gleichstromkomponente des Stroms i₁ steht im Zusammenhang mit der Kraft, welche durch den Aktor 7 aufgebracht werden kann. Dieser Zusammenhang ist üblicherweise nichtlinear. Er muss aus Messungen bestimmt werden und kann ebenfalls in einem Kennfeld hinterlegt werden. Hierzu ist ein nicht dargestellter Datenspeicher vorgesehen. Mit Hilfe des Kennfelds ist es möglich, mit einem PID-Regler die Kraft des Elektromagneten zu stellen bzw. zu regeln.
Selbstverständlich ist dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der Aktor 7 lediglich exemplarisch als ein Hubmagnet realisiert. Insbesondere können alle geeigneten elektrodynamischen, elektromagnetischen, elektrostatischen bzw. piezoelektrischen Aktorprinzipe verwendet werden.
Zur Auswertung der Position der Betätigungseinheit 5 können selbstverständlich auch höherfrequente Anteile der Wechselstromkomponente i₂ ausgewertet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10128908 A1 [0003]

Claims

Bedienmodul für eine technische Vorrichtung, wobei das Bedienmodul in einem Bedienfeld der technischen Vorrichtung angeordnet ist, mit einer beweglich angeordneten Betätigungseinheit und mit einer die Betätigungseinheit aufnehmenden Halteeinheit, wobei die Betätigungseinheit durch Bestromung eine Aktors mit einem Aktorstrom wenigstens aus einer ersten Betriebsstellung in eine zweite Betriebsstellung verbringbar ist, wobei die Halteeinheit einen ortsfesten ersten Aktorteil und die Betätigungseinheit eine relativ zu dem ersten Aktorteil beweglich gehaltenen zweiten Aktorteil aufweist und wobei der Aktorstrom zur Realisierung einer veränderlichen Kraft-Weg-Kennlinie der Betätigungseinheit zeit- und/oder ortsvariabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung einer sensorlosen Bestimmung einer Position der Betätigungseinheit (5) relativ zur Halteeinheit (6) der Aktorstrom (i) eine erste Aktorstromkomponente (i₁) und eine der ersten Aktorstromkomponente (i₁) überlagerte zweite Aktorstromkomponente (i₂) aufweist, wobei die erste Aktorstromkomponente (i₁) als eine Gleichstromkomponente (i₁) und die zweite Aktorstromkomponente (i₂) als eine Wechselstromkomponente (i₂) ausgebildet ist.
Bedienmodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstromkomponente (i₂) als eine periodische Wechselstromkomponente (i₂), insbesondere als eine harmonische oder eine rechteckförmige oder sägezahnförmige Wechselstromkomponente (i₂) ausgebildet ist.
Bedienmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (6) als ortsfeste Aktorkomponente als ein Elektromagnetaktor ausgebildet ist, wobei sich abhängig von der Position der Betätigungseinheit (5) eine Induktivität L_var einer Spule (8) des Aktors ändert.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position der Betätigungseinheit (5) eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselstromkomponente (i₂) des Aktorstroms (i) und einer zu der Wechselstromkomponente (i₂) korrespondierenden Wechselspannungskomponente einer Aktorspannung (u) ermittelt werden.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (18) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass wahlweise die Position der Betätigungseinheit (5) relativ zur Halteeinheit (6) unabhängig von einer auf die Betätigungseinheit (5) wirkenden Kraft (F) oder die Kraft (F) unabhängig von der Position der Betätigungseinheit (5) einstellbar und insbesondere eine Kombination beider Betriebsarten realisierbar ist.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Betätigungseinheit (5) unter Berücksichtigung einer Frequenz der Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) und/oder unter Berücksichtigung des konstruktiven Aufbaus des Aktors (7) aus der Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) und der Wechselstromkomponente (i₂) des Aktorstroms (i) mit Hilfe der Steuereinheit (18) bestimmbar ist.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein den konstruktiven Aufbau abbildender Zusammenhang zwischen der Position der Betätigungseinheit (5) und der Induktivität der Spule (8) in einem der Steuereinheit (18) zugeordneten Datenspeicher abgelegt oder durch ein Polynom approximiert ist.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein den konstruktiven Aufbau abbildender Zusammenhang zwischen Mittelwert des Aktorstroms (i) und Induktivität der Spule (8) in einem der Steuereinheit (18) zugeordneten Datenspeicher abgelegt oder durch ein Polynom approximiert.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer rechteckförmigen Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) wenigstens ein Filter (15), insbesondere wenigstens ein Bandpassfilter (15) vorgesehen ist, welche auf die Frequenz der Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) und/oder der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) derart abgestimmt ist, dass eine grundharmonische Schwingung der Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) und/oder der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) den Filter (15) passiert und zur Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) und der Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) dient.
Bedienmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Filter (15) wenigstens ein Komparator (16) zugeordnet ist zur Bestimmung der Phasenverschiebung, wobei der Komparator (16) derart ausgebildet ist, dass die grundharmonischen Schwingungen von der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) und/oder der Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) in ein Rechtecksignal gewandelt werden und dass die Phasenverschiebung zwischen Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) und Wechselstromkomponente des Aktorstroms (i₂) aus einer zeitlichen Verzögerung der Flanken der Wechselspannungskomponente der Aktorspannung (u) und der Wechselstromkomponente des Akorstroms (i₂) ermittelt werden.
Verwendung eines Bedienmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Schalter und/oder Taster in einem Haushaltsgerät (Vorrichtung 1) oder einem Gerät der Unterhaltungselektronik (Vorrichtung 1).