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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung umfassend einen Gleichstrommotor mit mindestens drei Spulen, sowie eine Steuerungsvorrichtung.
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Gleichstrommotoren werden häufig als Stellmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Zu diesem Zweck wird zum Betrieb des Motors häufig eine von außen vorgegebene Spannung, für ein festes Zeitintervall oder bis zum Auslösen eines Sensors, an diesen Motor angelegt. Um ein zuverlässiges Anlaufen des Motors zu ermöglichen weist der Rotor eines solchen Gleichstrommotors, der auch Anker genannt wird, häufig mehrere T-förmige Abschnitte auf, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Häufig wird ein Dreifach-T-Anker genutzt. Bei dieser Form des Rotors sind drei Spulen in einem Winkel von jeweils 120° zwischen den Spulen um den Rotor angeordnet. Eine solche Spulenanordnung hat den wesentlichen Vorteil, dass ein Anlaufen des Motors in jeder Stellung möglich ist.
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Üblicherweise erfolgt die Kontaktierung von mehreren Spulen an einem Rotor bei einem Gleichstrommotor dadurch, dass auf dem Rotor ein sogenannten Kommutator angeordnet ist, der aus mehreren Elektroden besteht, die jeweils mit einem Ende von zwei benachbarten Spulen verbunden sind. Diese Kontakte werden in der Regel mit Schleifkontakten verbunden. Die Anordnung der Schleifkontakte bzw. Elektroden ist so gewählt, dass bei einem Rotieren des Motors ein automatisches Umpolen der Spulen zu den Zeitpunkten erfolgt, zu denen eine Spule in Richtung des Magnetfelds gerichtet ist und damit nicht zum Drehmoment des Motors beiträgt.
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Beim Betrieb als Stellmotor ist eine möglichst einfache Ansteuerung eines solchen Gleichstrommotors gewünscht. Daher erfolgt die Steuerung des Motors in der Regel durch Schalten einer Spannung am Motor. Diese Art der Ansteuerung kann unter Umständen jedoch zu einem Pfeifen des Motors im akustischen Bereich führen. Wird ein derart angesteuerter Gleichstrommotor in einer Stellung blockiert, in der, durch eine geringfügige Verdrehung, einer der Schleifkontakte zwischen dem Kontaktieren einer Elektrode und dem Kontaktieren zweier Elektroden wechselt, führt dies dazu, dass am Rotor des Motors abwechselnd eine Spule mehr und eine Spule weniger bestromt wird. Dies führt zu einer plötzlichen Impedanzänderung des Motors und damit zu einer deutlichen Veränderung des Drehmoments des Motors. Ist das Drehmoment des Motors jedoch abhängig von dem Drehwinkel und weist die Blockade eine gewisse Elastizität auf, so kann dies zu einem Schwingen des Motors führen. In diesem Fall können elektrische oder mechanische Resonanzen zu einer Schwingung des Motors im hörbaren Bereich führen. Ein solches Schwingen des Motors, das häufig in Form eines Pfeifens hörbar wird, wird von einem Benutzer eines Geräts, das eine solche Antriebseinrichtung umfasst, häufig als ein Defekt oder zumindest als ein Qualitätsmangel wahrgenommen. Zumindest ist ein solches Pfeifen jedoch unangenehm und senkt den Benutzungskomfort.
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Damit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung mit einem Gleichstrommotor mit mindestens drei Spulen anzugeben, bei der Störgeräusche aufgrund eines Blockierens eines Motors verhindert oder zumindest verringert werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art die Steuerungsvorrichtung eine Messeinrichtung zur Messung eines Stromgradienten des dem Gleichstrommotors durchfließenden Stroms umfasst und zur Begrenzung des Stromgradienten durch Steuerung der am Gleichstrommotor anliegenden Spannung in Abhängigkeit des gemessenen Stromgradienten ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die Störgeräusche beim Blockieren des Motors durch plötzliche Änderungen des Drehmoments verursacht werden, und diese plötzlichen Veränderungen des Drehmoments durch eine Begrenzung des Stromgradienten vermieden werden können. Ein blockierter Gleichstrommotor kann zunächst als ein System betrachtet werden, bei dem ein durch den Motor erzeugtes Drehmoment der Rückstellkraft einer Drehfeder entgegenwirkt. Damit wird also ab dem Punkt, an dem die Blockade des Gleichstrommotors beginnt, der Drehung des Gleichstrommotors ein Drehmoment entgegengesetzt. Der Drehwinkel des Motors wird durch das Drehmoment des Motors weiter erhöht, bis ein Gleichgewicht der Kräfte vorliegt.
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In den meisten Blockadesituationen ist die Blockade relativ starr, d. h. die Blockade weist eine hohe Federkonstante auf. Damit ist der Winkel zwischen der Position, an der die Blockade noch kein Drehmoment auf den Motor ausübt, und der Position, an der ein Gleichgewicht zwischen den Drehmoment herrscht, klein. Damit kann, solange sich an der Bestromung der Spulen nichts ändert, das Drehmoment des Motors über diesen Winkelbereich als näherungsweise konstant betrachtet werden. Damit nimmt mit zunehmendem Weiterdrehen des Motors das -Gesamtdrehmoment, also die Summe aus dem Drehmoment des Motors und dem durch die Blockade verursachte Drehmoment, monoton ab, bis das Gesamtdrehmoment null ist und der Motor steht. In diesem Fall treten keine Schwingungen des Motors auf und es ist auch kein lästiges Pfeifen zu hören.
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Erfolgt eine Blockade des Motors jedoch in einer Drehposition, in der innerhalb des Drehintervalls bis zum Gleichgewicht der Drehmomente eine Änderung der Kontaktierungen der Spulen am Kommutator erfolgt, so ist das monotone Sinken des Gesamtdrehmoments auf null nicht gewährleistet. Kommt es beispielsweise innerhalb dieses Drehwinkels dazu, dass einer der die Elektroden des Kommutators kontaktierenden Schleifkontakte, nun zwei Elektroden kontaktiert, so führt dies dazu, dass für eine der Spulen des Rotors beide Seiten der Spule auf dem gleichen Potential liegen und damit diese Spule nicht bestromt wird.
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Üblicherweise wird ein Rotor derart bestromt, dass zwei Gruppen von Spulen parallel bestromt werden und innerhalb dieser Gruppen eine Serienschaltung der Spulen erfolgt. Das Nichtbestromen einer Spule führt dazu, dass auf einem der Pfade eine Spule weniger mit der oder den weiteren Spulen in Serie geschaltet ist. Dies führt zu einer Verringerung des Widerstands und der Induktivität auf diesem Pfad. Damit sinken auch Gesamtwiderstand und Gesamtinduktivität des Motors.
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Wird der Gleichstrommotor mit einer konstanten Spannung versorgt, so führt dies dazu, dass in dem Fall, in dem eine Spule weniger bestromt wird, der Gesamtstromfluss durch den Motor steigt. Der zusätzlich fließende Strom fließt durch die weiteren Spulen des Pfades, dessen Teil die nun nicht mehr bestromte Spule in der vorhergehenden Motorstellung war. Diese hat bereits zuvor nicht oder kaum zum Drehmoment beigetragen, da die Spule bei genau dem Drehwinkel umgepolt wird, bei dem sie parallel zum externen Magnetfeld liegt. Der höhere Strom, der durch die weiteren Spulen des gleichen Pfads fließt, erzeugt jedoch durchaus ein zusätzliches Drehmoment.
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Erfolgt nun die Blockade des Gleichstrommotors derart, dass in dem Drehwinkelbereich, in dem die Rückstellkraft durch die Blockade klein ist, zumindest eine Spule weniger bestromt ist, wird diese Spule jedoch bevor die Blockade eine ausreichende Rückstellkraft aufbringen kann, um zum Stillstand des Motors zu führen, durch ein Weiterdrehen des Motors wieder bestromt, so gibt es keine stabile Gleichgewichtsposition des Motors. Dies führt zum eingangs erwähnten Schwingen des Motors.
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Die problematische Schwingung des Motors ist also eine direkte Folge der plötzlichen Impedanzänderung des Motors und damit des Sprungs in der Stromstärke. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also darauf, dass die Schnelligkeit des Sprungs der den Gleichstrommotor durchfließenden Stromstärke begrenzt wird, bzw. dass die Höhe des Sprungs verringert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Stromgradient begrenzt wird. Eine solche Begrenzung des Stromgradienten kann für beide Richtungen des Gradienten möglich sein, zur Verhinderung von Schwingungen des Motors reicht aber die Begrenzung des Stromgradienten in einer Richtung. Die Begrenzung des Stromgradienten erfolgt im erfindungsgemäße Verfahren indirekt. Ist der Gradient groß, also die Änderung des den Gleichstrommotor durchfließenden Stroms sehr steil, so wird die von außen an dem Motor anliegende Spannung derart angepasst, dass die Stromänderung abgeflacht wird. Damit wird beim Ansteigen des Stroms oder beim Abfallen des Stroms durch eine Änderung der Anzahl der bestromten Spulen eine langsamere Änderung des Stroms, der durch den Gleichstrommotor und damit durch die Spulen fließt, erreicht. Dies führt auch dazu, dass sich das Drehmoment des Motors nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich mit einer gewissen maximalen Änderungsrate ändert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also erreicht, dass sich das Drehmoment nicht mehr sprunghaft, sondern kontinuierlich ändert. Wird die Trägheit des Rotors bei der Betrachtung vernachlässigt, ist allein die Tatsache, dass die Änderung des Motorstroms nicht mehr sprunghaft, sondern kontinuierlich erfolgt ausreichend, um eine Schwingung zu vermeiden. In realen Systemen führen sehr steile Stromgradienten jedoch weiterhin dazu, dass der Rotor sich aufgrund der Trägheit über einen Gleichgewichtspunkt zwischen den Drehmoment hinausbewegt. Dieses Überschwingen über den Gleichgewichtspunkt der Drehmomente hinaus wird mit einem zunehmenden Abflachen des Stromgradienten durch die Steuerungsvorrichtung kleiner. Zudem sind die die Schwingung anregenden Kräfte bei einem niedrigeren Stromgradienten kleiner und damit die Schwingungsfrequenzen insgesamt geringer. Eine Verkleinerung des Stromgradienten im erfindungsgemäßen Verfahren führt also zum einen zu einem Senken der Schwingungsfrequenz und zum anderen zur Abnahme der Schwingungsintensität bei einem Blockieren eines Gleichstrommotors. Abhängig von der gewünschten maximalen Drehzahl des Gleichstrommotors ist in den meisten Anwendungsfällen eine Abstimmung des maximalen Stromgradientens derart möglich, dass eine mögliche Vibration beim Blockieren des Motors eine Frequenz unterhalb der Hörschwelle und/oder eine nicht oder kaum wahrnehmbare Lautstärke des Vibrationsgeräusches aufweist.
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Eine Steuerung der am Gleichstrommotor anliegenden Spannung ist auf vielfältige Weise möglich. So kann eine Steuerung der Spannung am Gleichstrommotor direkt durch ein digitales Steuersignal gesteuert werden. In diesem Fall kann der Gradient des den Gleichstrommotor durchfließenden Stroms durch Analog-Digital-Wandlung festgestellt und die an den Motor angelegte Spannung angepasst werden. Wie eingangs erwähnt ist es jedoch wünschenswert, die Ansteuerung des Gleichstrommotors einfach zu halten.
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Daher ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung mindestens ein Impedanzglied mit steuerbarer Impedanz umfasst, das elektrisch leitend mit einem Pol des Gleichstrommotors und einem Pol einer Spannungsversorgung des Gleichstrommotors verbunden ist. Der Strom bestimmt sich in diesem Fall durch die Summe der Impedanzen des steuerbaren Impedanzgliedes und des Motors. Damit kann durch Anpassung der Impedanz des Impedanzglieds die Stromstärke gesteuert werden. Impedanzglied und Motor können auch als Spannungsteiler betrachtet werden. In diesem Fall verteilt sich die an Impedanzglied und Motor abfallende Spannung je nach Impedanz des Impedanzglieds und des Gleichstrommotors zwischen Gleichstrommotor und Impedanzglied. Das Impedanzglied kann sich im Wesentlichen wie ein ohmscher Widerstand verhalten. Die Spulen des Gleichstrommotors haben häufig eine geringe Induktivität und können damit auch näherungsweise als ohmscher Widerstand betrachtet werden. In diesem Fall ist die am Motor anliegende Spannung proportional zum Quotienten aus dem Widerstand des Gleichstrommotors und der Summe der Widerstände des Gleichstrommotors und des Impedanzglieds.
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Eine Messung des Stromgradienten ist besonders einfach möglich, wenn die Messeinrichtung zur Ermittlung des Stromgradienten durch Messung der am Impedanzglied abfallenden Spannung ausgebildet ist. Die am Impedanzglied abfallende Spannung ist direkt proportional zum Strom, der durch Impedanzglied und Motor fließt. Damit ist der Stromgradient auch direkt proportional zur Ableitung dieser Spannung. Eine Messung der am Impedanzglied abfallenden Spannung ist insbesondere vorteilhaft, da in diesem Fall keine weiteren Messwiderstände oder ähnliche Bauteile notwendig sind, und damit eine besonders einfache Steuerungsvorrichtung erreicht wird.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Impedanzglied ein Transistor ist. Abhängig von den Details der weiteren Ansteuerung ist es sowohl möglich, den Transistor so zu betreiben, dass er als Schalter dient, also auch den Transistor in einem linearen Bereich zu betreiben, so dass die Impedanz des Transistors kontinuierlich variiert werden kann. Durch eine passende Wahl des Transistors kann unter Umständen auch eine zusätzliche Invertierung einer Steuerspannung vermieden werden. Als Transistoren können Bipolartransistoren, insbesondere auch Bipolartransistoren mit isolierender Gate-Elektrode, oder Feldeffekttransistoren genutzt werden. Selbstverständlich können je nach Anwendungsfall auch andere Transistoren genutzt werden.
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Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass der Zusammenhang zwischen Stromgradient und Impedanz stetig und monoton, vorzugsweise streng monoton, insbesondere linear, ist. Ein stetiger Zusammenhang zwischen Stromgradient und Impedanz ist insbesondere vorteilhaft, da Sprünge der Impedanz vermieden werden sollen. Sprünge der zusätzlichen Impedanz könnten zu ähnlichen Effekten führen wie Sprünge der Impedanz des Gleichstrommotors, d. h. zu einem Schwingen des Motors, das aber eben vermieden werden soll. Auch ein nichtmonotoner Zusammenhang zwischen Stromgradient und Impedanz, d. h. ein Zusammenhang bei dem ein Anstieg des Stromgradienten abhängig vom Wert des Stromgradienten zu einem Steigen oder einem Fallen der Impedanz führen kann, ist für eine Regelung der Impedanz problematisch, da die Hysteresen im Regelverhalten auftreten können. Dies kann wiederum zu einer sprunghaften Änderung des Drehmoments führen, die wiederum zu einem Schwingen des Gleichstrommotors führen kann.
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Bereiche, in denen sich die Impedanz nicht oder nur sehr wenig mit dem Stromgradienten ändert, sind ebenfalls hinderlich für eine zuverlässige und einfache anpassbare Regelung des Stromgradienten. Daher ist ein streng monotoner Zusammenhang zwischen Stromgradient und Impedanz vorzuziehen. Ein linearer Zusammenhang zwischen dem Stromgradienten und der Impedanz ist häufig besonders einfach zu realisieren und erlaubt zudem eine gleichmäßige Regelung über einen weiten Regelbereich.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Spannung durch Pulsweitenmodulation eines durch die Steuervorrichtung erzeugten gepulsten Spannungsverlaufs ausgebildet ist, wobei insbesondere zwischen der Steuervorrichtung und dem Gleichstrommotor ein Tiefpassfilter angeordnet ist. Insbesondere, wenn die Steuerungsvorrichtung als digitale Schaltung ausgebildet ist, erlaubt eine Steuerung eines Schalters oder eines als Schalter betriebenen Transistors einen besonders einfachen Wechsel vom digitalen Schaltkreis zum analogen Schaltkreis, da eine gesonderte Digital-/Analogwandlung nicht notwendig ist.
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Auch bei rein analogen Steuerungen kann eine Steuerung durch Pulsbreitenmodulation jedoch wünschenswert sein. Insbesondere, wenn die Spannung, die am Gleichstrommotor anliegt, durch ein Impedanzglied zwischen der Spannungsversorgung und dem Gleichstrommotor geregelt wird, fällt bei einer kontinuierlichen Steuerung der Impedanz am Impedanzglied auch dann Spannung ab, wenn Strom fließt. Dadurch wird Leistung am Impedanzglied abgegeben, und das Impedanzglied erwärmt sich. Dies bedeutet zum einen, dass die Gesamteffizienz der Antriebseinrichtung sinkt, zum anderen ist eine Kühlung des Impedanzglieds notwendig. Dies kann bei einer Ansteuerung durch Pulsbreitenmodulation weitgehend vermieden werden. Wird ein Schalter oder ein als Schalter betriebener Transistor mit einem gepulsten Signal betrieben, so fällt an diesem Schalter oder Transistor im Wesentlichen nur dann Spannung ab, wenn kein Strom fließt. Damit wird im Impedanzglied im Wesentlichen keine Leistung dissipiert. Damit ist eine Steuerung der Spannung durch Pulsbreitenmodulation insbesondere dann sinnvoll, wenn die Antriebseinrichtung einen leistungsstarken Gleichstrommotor umfasst. Für leistungsschwächere Motoren kann jedoch eine kontinuierliche Steuerung der Spannung, wie zuvor beschrieben, vorteilhaft sein, da für eine solche in der Regel eine weniger aufwendige Schaltung notwendig ist.
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Wird die Spannung am Motor durch Pulsbreitenmodulation gesteuert ist es häufig vorteilhaft, zwischen dem Gleichstromfilter und der pulsbreitenmodulierten Steuerspannung einen Tiefpassfilter anzuordnen. Im Gleichstrommotor werden zwar Spulen betrieben, wodurch plötzliche Stromsprünge bei einer plötzlichen Spannungsänderung bis zum einem gewissen Maß unterdrückt sind, dennoch kann es für den gleichmäßigen Betrieb des Gleichstrommotors vorteilhaft sein, die am Motor anliegende Spannung der Pulsbreitenmodulation zu filtern. Erfolgt eine schnelle Pulsweitenmodulation, so ist durch einen Tiefpassfilter eine nahezu vollständige Filterung der schwingenden Anteile, und damit die Erzeugung eines gleichspannungsähnlichen Signals, das durch die Änderung der Pulsweite in der Spannung verändert werden kann, möglich.
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Die Messeinrichtung kann eine Differentiatorschaltung oder einen Hochpassfilter umfassen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, den Stromgradienten direkt zu messen, sondern es ist möglich den Strom bzw. eine an einem Bauteil mit bekannter oder fester Impedanz abfallende Spannung zu messen. Um aus dieser Spannung ein Steuersignal zu erzeugen, das im Idealfall proportional zu dem Stromgradienten sein soll, kann eine Differentiatorschaltung genutzt werden. Diese kann beispielsweise aus einem Operationsverstärker mit einem Kondensator am Eingang und einem Widerstand als Rückkopplung ausgebildet sein. Abhängig von der gewünschten Frequenzantwort der Schaltung kann auch ein Hochpassfilter statt einer Differentiatorschaltung genutzt werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Steuerung beim Betrieb des Gleichstrommotors kontinuierlich erfolgt. Ist die Steuerungsvorrichtung bei Betrieb des Gleichstrommotors stets aktiv, so wird zuverlässig ein Schwingen des Motors bei Blockade vermieden. Sollte die Steuerungsvorrichtung erst dann genutzt werden, wenn bereits eine Blockade des Motors vorliegt, so kann dies dazu führen, dass zunächst eine Vibration des Motors, mit dem daraus folgenden Störgeräusch, erfolgt und diese erst nach einem kurzen Intervall unterbunden wird. Dies ist häufig nicht wünschenswert. Insbesondere bei selten genutzten Stellmotoren ist der geringfügig höhere Leistungsverbrauch aufgrund des durchgehenden Betriebs der Steuerungsvorrichtung nicht störend. Umfasst die Antriebseinrichtung einen leistungsstärkeren Gleichstrommotor, so ist ohnehin eine Ansteuerung über Pulsweitenmodulation wünschenswert, wobei bei kontinuierlicher Benutzung der Steuerungsvorrichtung in diesem Fall kaum zusätzliche Leistungsverluste auftreten. Ein weiterer Vorteil des kontinuierlichen Betriebs der Steuervorrichtung ist, dass die Steuerungsvorrichtung in diesem Fall sehr einfach sein kann, da ein Zu- bzw. Abschalten und ein Erkennen, wann ein Einsatz der Steuervorrichtung notwendig ist, nicht notwendig ist.
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Es ist möglich, dass die Steuerungsvorrichtung derart zur Begrenzung des Stromgradienten ausgebildet ist, dass bei einer Senkung der Impedanz des Gleichstrommotors, aufgrund der Änderung der Anzahl der bestromten Spulen durch Drehung des Motors, ein Anstieg des Stroms auf eine Stärke von 90% einer Stromstärke, die bei Beibehaltung des vor Änderung der Impedanz am Motor anliegenden Spannungswertes fließen würde, mindestens fünf Millisekunden, insbesondere mindestens zwanzig Millisekunden dauert.
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Viele Gleichstrommotoren, die als Stellmotoren genutzt werden weisen Resonanzfrequenzen im Bereich von einem oder mehreren KHz auf. Schwingen, die bei Blockaden auftreten, in diesem Frequenzbereich werden häufig als besonders störend empfunden. Durch eine entsprechende Festlegung des Stromgradienten, wie oben beschrieben können die Schwingungen des Motors nicht nur in ihrer Amplitude gesenkt, sondern auch in einen Frequenzbereich von einigen 10 bis zu wenigen 100 Hz verlegt werden, der in der Regel als weniger störend empfunden wird. Eine stärkere Begrenzung des Stromgradienten könnte dazu führen, dass gewünschte Motordrehzahlen nicht mehr erreicht werden können. Gleichzeitig ist es insbesondere bei einer Nutzung in nicht vollständig stillem Umfeld, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug,, häufig ausreichend die Amplitude zu verringern und die Frequenz an den tieffrequenten Rand des vom Menschen gehörten Spektrums zu verschieben, da solche Geräusche häufig von weiteren Umgebungsgeräuschen überdeckt werden.
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Daneben betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug umfassend wenigstens eine Antriebseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche. Gleichstrommotoren werden in einem Kraftfahrzeug für eine Vielzahl von Aufgabe genutzt. Gleichzeitig ist bei einem Kraftfahrzeug der Bauraum für zusätzliche Elemente häufig stark begrenzt. Daher ist eine Nutzung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung, die Störgeräusche durch blockierende Motoren verhindert und gleichzeitig relativ einfach ist, vorteilhaft.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Gleichstrommotor ein Stellmotor zum Anklappen eines Seitenspiegels ist. Störgeräusche durch blockierende Motoren in einem Kraftfahrzeug sind dann besonders unerfreulich, wenn der Motor sich in der Nähe des Ohrs eines Insassen eines Kraftfahrzeugs befindet. Daher ist eine Unterdrückung von Pfeifgeräuschen bei Anklappmotoren eines Seitenspiegels, die sich im unmittelbaren Umfeld eines Fahrers bzw. Beifahrers eines Kraftfahrzeugs befinden besonders vorteilhaft.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Zeichnungen und Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
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1 einen Gleichstromelektromotor in einer ersten Stellung,
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2 ein Ersatzschaltbild für den Gleichstromelektromotor der 1,
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3 den Gleichstrommotor aus 1 in einer zweiten Stellung,
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4 ein Ersatzschaltbild für die Motorstellung in 3,
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5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung, und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung.
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1 zeigt einen Gleichstrommotor 1. Ein Rotor 2 ist im Freiraum eines Permanentmagneten 3 drehbar gelagert. Der Rotor 2 weist drei T-förmige Abschnitte auf, um die die drei Spulen 6, 7 und 8 gewickelt sind. Die Spulen werden über zwei Schleifkontakte 4, 5, und einen Kommutator, der aus drei fest mit dem Rotor verbundenen Elektroden 18, 19 und 20 gebildet ist, kontaktiert. Die Spule 6 ist zwischen den Elektroden 18 und 20 angeordnet, die Spule 7 zwischen den Elektroden 18 und 19 und die Spule 8 zwischen den Elektroden 19 und 20.
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In der gezeigten Stellung des Motors 1 ist der Schleifkontakt 1 in Kontakt mit Elektrode 20 und der Schleifkontakt 5 in Kontakt mit Elektrode 19. Daraus ergibt sich eine Schaltung wie sie in 2 gezeigt ist. Spule 8 verbindet direkt die Elektroden 19 und 20, die durch die Schleifkontakte 4 und 5 kontaktiert sind. Dies entspricht einer direkten Verbindung der Spule 8 mit den Polen der Spannungsversorgung 9. Ein Ende der Spule 6 ist mit Elektrode 20 und damit mit dem Schleifkontakt 4 verbunden. Die Elektrode 18, mit der das zweite Ende der Spule 6 verbunden ist, ist nicht mit einer äußeren Spannung verbunden, jedoch mit einem Ende der Spule 7. Spule 7 stellt wiederum den Kontakt zur Elektrode 19 her, die über den Schleifkontakt 5 mit dem weiteren Pol der Spannungsversorgung 9 verbunden ist. Spule 6 und 7 sind also in Serie geschaltet.
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Hier soll davon ausgegangen werden, dass die Spulen 6, 7 und 8 ausschließlich einen ohmschen Widerstand aufweisen, und dass dieser für alle drei Spulen gleich ist. Das Modell kann problemlos auf eine vollständig Impedanzbetrachtung der Spulen 6, 7 und 8 erweitert werden, da sich die Induktivitäten von Spulen genauso addieren wie Widerstände. Werden die Widerstände der Spulen 6, 7 und 8 mit R bezeichnet und die Spannung der Spannungsquellen 9 mit U, so fließt durch Spule 8 der Strom U/R und durch die Spulen 6 und 7 der Strom U/2R. Durch Spulen 6 und 7 fließt also nur halb so viel Strom wie durch Spule 8. Das Drehmoment, das durch die Spulen im Magnetfeld erzeugt wird, ist bei Annahme eines homogenen, durch den Permanentmagneten 3 erzeugten Magnetfelds proportional zum Sinus des Winkels zwischen dem Magnetfeld der Spule und dem Magnetfeld des Permanentmagneten. Damit trägt Spule 6 in der in 1 gezeigten Motorstellung einen wesentlichen geringeren Beitrag zum Drehmoment des Motors 1 bei als die Spulen 7 und 8.
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3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung und ein Ersatzschaltbild für eine leicht unterschiedliche Stellung des Motors 1. Wesentlicher Unterschied ist hier, dass der Schleifkontakt 4 nun mit zwei Elektroden 18 und 19 im Kontakt ist. Damit existiert kein Potentialunterschied zwischen den beiden Enden der Spule 6 und es fließt auch ein Strom durch die Spule 6. Damit erzeugt Spule 6 auch kein Magnetfeld. Spule 7 verbindet Elektrode 18, die auf dem Potential des Schleifkontakts 4 liegt und Elektrode 19, die auf dem Potential des Schleifkontakts 5 liegt. Ebenso verbindet Spule 8 die Elektrode 20, die auf dem Potential des Schleifkontakts 4 liegt mit der Elektrode 19, die auf dem Potential des Schleifkontakts 5 liegt. Damit ergibt sich das in 4 gezeigte Ersatzschaltbild.
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In der in 3 gezeigten Motorstellung sind somit Spule 7 und 8 parallel mit der Spannungsquelle 9 verbunden. Damit fließt nun sowohl durch Spule 7 als auch durch Spule 8 der Strom U/R. Diese bedeutet, dass in der in 3 und 4 gezeigten Stellung des Motors 1 doppelt so viel Strom durch Spule 7 fließt, wie in der in 1 und 2 gezeigten Stellung des Motors 1. Wie bereits erläutert trägt in der in 1 bis 4 gezeigten Stellungen des Motors die Spule 6 kaum zum Drehmoment des Motors bei. Das Magnetfeld einer Spule und damit das durch sie erzeugte Drehmoment ist jedoch direkt proportional zum Strom, der durch die Spule fließt. Wird näherungsweise davon ausgegangen, dass zwischen der in 1 und 2 und der in 3 und 4 gezeigten Stellung des Motors die Winkeländerung ausreichend klein ist, so dass der Einfluss der Stellung der Spulen 7 und 8 im Magnetfeld vernachlässigt werden kann, so ist in der in 3 und 4 gezeigten Stellung des Motors das durch die Spule 7 erzeugte Drehmoment doppelt so groß, wie das in 1 und 2 erzeugte Drehmoment der Spule 7. Damit wirkt in 3 und 4 insgesamt ein Drehmoment auf den Motor, das um nahezu ein Drittel größer ist als das Drehmoment in 1 und 2.
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Nun soll angenommen werden, dass sich der Motor im Uhrzeigersinn dreht, und dass der Motor derart blockiert wird, dass eine Auslenkung aus der in 3 gezeigten Stellung einen Kraftaufwand erfordert. In der in 3 und 4 gezeigten Stellung des Motors erzeugt dieser jedoch ein relativ großes Drehmoment, wodurch sich der Motor im Uhrzeigersinn weiterdreht. Beim Erreichen der in 1 und 2 gezeigten Stellung des Motors übt dieser wie erläutert jedoch ein wesentliches geringeres Drehmoment aus. Damit ist, sobald die Schleifelektrode 4 nicht mehr in Kontakt mit der Elektrode 18 ist, das Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn größer als das Drehmoment in der Richtung des Uhrzeigersinns und der Motor dreht sich entgegen des Uhrzeigersinns. Damit beginnt der Motor zwischen den in 3 und 1 gezeigten Stellungen hin und herzuspringen. Dies erfolgt üblicherweise mit einer mechanischen Resonanzfrequenz des Motors, die typischerweise im KHz-Bereich liegt. Diese Schwingung soll verhindert werden.
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5 zeigt eine Steuereinrichtung 14, die den Stromgradienten begrenzt. Ein Begrenzen des Gradienten bewirkt, dass sich das Drehmoment des Motors bei einer Änderung der bestromten Spulenzahl nicht mehr sprunghaft, sondern kontinuierlich ändert. Abhängig von der Trägheit des Rotors des Gleichstrommotors und der Reibung im Gleichstrommotor wird damit ein Gleichgewicht zwischen den Momenten erreicht und der Motor steht bei Blockierung vollständig still oder die möglichen Schwingen haben zumindest eine kleiner Amplitude und Frequenz.
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Die Steuerungseinheit 14 umfasst den Transistor 10 als Impedanz, die zwischen einen Pol der Spannungsversorgung 9 und dem Motor 1 geschaltet ist. Der Transistor 10 ist hier ein Feldeffekttransistor, der bei Anliegen keiner Spannung einen geringen Widerstand zwischen Drain und Source hat. Solange also die weiteren Komponenten der Steuerungsvorrichtung 14 keine Spannung an den Transistor 10 anlegen, wird der Motor 1 im Wesentlichen so mit Spannung versorgt, als ob keine Steuerungsvorrichtung 14 vorhanden wäre. Zugleich misst die Spannungsmesseinrichtung 11 die Spannung, die am Transistor 10 abfällt. Der Transistor 10 verhält sich im Wesentlichen ohmsch, d. h. die Spannung, die am Transistor 10 abfällt ist proportional zum Strom, der durch den Transistor 10 und damit auch durch den Motor 1 fließt. Die von der Spannungsmesseinrichtung 11 gemessene Spannung wird im Differentiator 12 abgeleitet. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Differentiatorschaltung. Bei einer Differentiatorschaltung wird eine Spannung an einen Kondensator, der zwischen der Spannungsquelle und dem Eingang eines Operationsverstärkers angeordnet ist angelegt. Der Eingang des Operationsverstärkers ist durch Erden des zweiten Anschlusses des Operationsverstärkers und die Rückkopplung des Operationsverstärkers durch einen Widerstand als virtuelles Erdpotential zu betrachten. Damit ist der durch den Kondensator und damit auch durch den Rückkoppelwiderstand fließende Strom proportional zur Ableitung des am Kondensator anliegenden Spannungssignals, d. h. hier der Strom ist proportional zur Ableitung der Spannung, die am Transistor 10 abfällt. Dementsprechend ist auch das Ausgangspotential des Operationsverstärkers proportional zum Ableitung des Spannungssignals, das am Transistor 10 abfällt.
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In der Signalformungsstufe 13 kann dieses Signal weiter geformt werden. Beispielsweise können hier Offsets zum Signal addiert werden oder es kann eine spannungsabhängige Formung des Signals erfolgen. Abhängig vom verwendeten Transistor kann auch eine Invertierung des Signals notwendig sein. Insbesondere können, beispielsweise durch einen entsprechenden Offset und eine Diode Signalanteile verworfen werden, die einem flachen Stromgradienten entsprechen würden, um eine Regelung in einem Bereich, in dem keine Regelung notwendig ist zu vermeiden.
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Insgesamt führt die Schaltung der Steuerungsvorrichtung 14 dazu, dass der Widerstand des Transistors 10 in dem Fall, in dem der den Transistor 10 durchlaufende Strom einen großen Gradienten hat, erhöht wird. Ist also der Stromgradient am Motor 1 groß, so ist auch der Stromgradient am Transistor 10 groß. In diesem Fall wird der Widerstand des Transistors 10 erhöht. Damit wird die abfallende Spannung am Motor 1 kleiner, wodurch ein positiver Stromgradient am Motor verkleinert wird. Daher ist auch der Gradient des durch den Motor ausgeübten Drehmoments kleiner, und wie eingangs beschrieben wird damit die Frequenz und Amplitude einer Oszillation des Gleichstrommotors 1 im Blockadefall verringert.
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6 zeigt eine weitere Antriebseinrichtung mit einer alternativen Steuerungseinrichtung 14. Hier sind zwischen der Spannungsquelle 9 und dem Motor 1 ein steuerbarer Schalter 16 ein Strommessgerät 21 sowie optional ein Tiefpassfilter 17 angeordnet. Der steuerbare Schalter 16 kann selbstverständlich auch als Transistor ausgeführt sein, der zwischen einem sehr hochohmigen und einem sehr niederohmigen Zustand geschaltet wird.
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Zur Messung des Stromgradienten wird in 6 zunächst durch ein Strommessgerät 21 eine Spannung abgegeben, die proportional zum Stromfluss durch das Strommessgerät ist. Zur Strommessung selbst kann beispielsweise die Spannung gemessen werden, die an einem niederohmigen Widerstand im Strommessgerät 21 abfällt. Die folgenden Schritte der Signalverarbeitung, d. h. das Ableiten in der Differenzierschaltung 12 und die Weiterverarbeitung in der Signalformungsstufe 13 entsprechen der Verarbeitung in den entsprechenden Bauteilen in 5. Das resultierende Signal wird hier jedoch genutzt, um im Pulsgenerator 15 die Pulsbreite zu variieren.
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Für den Pulsgenerator 15 sind eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann das Ausgabesignal der Signalverarbeitungseinrichtung 13 digitalisiert werden und als Pulsgenerator kann ein digitales Ausgangssignal eines Digitalschaltkreises genutzt werden. Zur analogen Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Pulssignals kann ein Dreieck oder Sägezahngenerator mit einer festen Frequenz genutzt werden. Wird das Signal dieses Generators zum Ausgangssignal des Signalverarbeitungsblocks 13 addiert und das resultierende Signal in einen Komperator eingespeist, resultiert ein Signal, dessen Pulsbreite abhängig von dem Ausgangssignals der Signalformungsstufe 13 ist. Wird der Schalter 16 mit diesem Signal angesteuert, bedeutet dies, dass die Pulsbreite das Zeitintervall angibt in dem dieser Schalter geöffnet bzw. geschlossen ist. Die Steuerungseinrichtung variiert den Strom der den Gleichstrommotor durchfließt also durch Variation des Zeitintervalls, in dem eine Spannung an den Motor 1 angelegt ist. Um eine Störung des Motorbetriebs durch diese Spannungsmodulation zu verhindern kann es vorteilhaft sein, vor dem Motor zudem einen Tiefpassfilter 17 anzuordnen. So kann beispielsweise im Pulsgenerator 15 eine sehr hochfrequente pulsweitenmodulierte Pulswelle, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 KHz geniert werden. Im Tiefpass 17 kann anschließend bei einer weit tieferen Frequenz, beispielsweis 1 KHz gefiltert werden. Damit fließt durch den Motor 1 im Wesentlichen ein Gleichstrom, dessen Amplitude jedoch abhängig von der Pulsbreite des im Pulsgenerator 15 erzeugten Pulssignals ist, und damit vom Gradienten des den Motor durchlaufenden Stroms.
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Das Ausführungsbeispiel nach 6 bietet die Vorteile, dass diese Ausführungsform der Steuereinrichtung bei einer digitalen Steuerung leichter zu realisieren ist und die Steuerungsvorrichtung so realisierbar ist, dass insgesamt weniger Leistung an der Steuerungsvorrichtung verloren geht.
