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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Generierung von Dithersignalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren und Steuergerät.
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Nach dem Stand der Technik wird die wirksame Reibung elektromagnetischer Aktoren durch ein dem Ansteuersignal insbesondere additiv überlagertes Dithersignal reduziert, um die Stellgenauigkeit zu verbessern. Insbesondere bei Hydraulik- oder Pneumatikventilen ist es üblich, demjenigen Ansteuersignal der Magnetspule (Spannung oder Strom), welches dem gewünschten Arbeitspunkt entspricht, ein Dither-Signal zu überlagern, welches eine höhere Frequenz aufweist als das Ansteuersignal. Als Dither wird die Modulation bzw. Überlagerung des Ansteuersignals mittels einer Schwingung einer bestimmten Frequenz bzw. eines bestimmten Frequenzbereichs bezeichnet. Dither-Signale sind häufig deterministisch, z.B. sinus-, dreieck- oder rechteckförmig.
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Bei im Betrieb stark variierender Dynamik des Aktors bzw. des vom Aktor angesteuerten Systems ist es darüber hinaus gängig, die mittlere Leistung des Dither-Signals und dessen dominante Spektralanteile während des Betriebs zu variieren, beispielsweise im Falle eines deterministischen Signals durch Variation der Amplitude und der Frequenz.
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Bekannte Verfahren zur Generierung von Dithersignalen ermöglichen es nicht, die mittlere Leistung bzw. die dominanten Spektralanteile zu beliebigen Zeitpunkten zu variieren. Häufig muss die Umschaltung der Dither-Parameter genau zu den Nulldurchgängen des Dithersignals erfolgen, damit das resultierende Dithersignal keine Sprungstellen aufweist. Wird die Umschaltung der Dither-Parameter nicht genau zu den Nulldurchgängen des Dithersignals durchgeführt, so führen die Sprungstellen im Dithersignal zu einer deutlichen Anregung des Aktors bzw. dem vom Aktor angesteuerten System. Hierdurch können unerwünschte Schwingungen angeregt werden. Erfolgt die Umschaltung der Dither-Parameter nur zu den Nulldurchgängen des Dithersignals, so muss bei niedrigen Dither-Frequenzen ggf. verhältnismäßig lange gewartet werden, bis das Dithersignal an den veränderten Arbeitspunkt angepasst wird. Hierdurch kann die Stellgenauigkeit verringert bzw. können unerwünschte Schwingungen angeregt werden.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Generierung eines insbesondere deterministischen Dithersignals mit zu beliebigen Zeitpunkten veränderbarer Amplitude und Frequenz bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Kern der Erfindung ist es, ein Dithersignal mit Hilfe eines nichtlinearen Oszillators, z.B. einem Van-der-Pol-Oszillator, zu erzeugen. Zur Echtzeit-Realisierung des Oszillators wird die dem verwendeten Oszillator zugrundeliegende autonome Differentialgleichung numerisch gelöst.
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Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Aktoren, aufweisend zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignals für zumindest einen Aktor und einen nichtlinearen Oszillator zur Erzeugung eines Dithersignals, das dem Ansteuersignal überlagert ist. Das Dithersignal wird derart erzeugt, dass es eine zu beliebigen Zeitpunkten veränderbare Amplitude und/oder Frequenz aufweist. Ebenfalls wird ein korrespondierendes Verfahren zur Ansteuerung von Aktoren vorgeschlagen, wobei dem Ansteuersignal ein Dithersignal überlagert wird, wobei das Dithersignal von einem nichtlinearen Oszillator erzeugt wird.
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Das erzeugte Dithersignal ist insbesondere deterministisch, also eindeutig festlegbar und reproduzierbar. Der nichtlineare Oszillator ist insbesondere asymptotisch stabil, wie beispielsweise ein Van-der-Pol-Oszillator.
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In einer Ausführung sowohl der Schaltungsanordnung als auch des Verfahrens erfolgt die Erzeugung des Dithersignals durch numerisches Lösen der zum Oszillator zugehörigen Differentialgleichung.
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In einer weiteren Ausführung sowohl der Schaltungsanordnung als auch des Verfahrens ist der Oszillator ein Van-der-Pol-Oszillator, für den die zugehörige unten beschriebene Differentialgleichung (1) gilt, wobei folgende Bedingungen erfüllt sein müssen, nämlich dass der Anfangswert des Ausgangssignals des Oszillators ≠ 0 und/oder der Anfangswert der ersten zeitlichen Ableitung des Dithersignals ≠ 0 ist.
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In einer Ausführung wird zur Realisierung des Dithersignals in einer elektronischen Echtzeit-Steuerung die Differentialgleichung zeitdiskret approximiert.
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Vorgeschlagen wird ferner ein Steuergerät, aufweisend die beschriebene Schaltungsanordnung. Vorgeschlagen wird ferner ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine prinzipielle Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Ziel der Erfindung ist es, ein insbesondere deterministisches Dithersignal bereitzustellen, das selbst bei Umschaltung der Frequenz bzw. Amplitude zu beliebigen Zeitpunkten stetig differenzierbar bleibt. Das Dithersignal ist dabei vorteilhafterweise näherungsweise sinusförmig.
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Hierzu wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Aktoren
100 vorgeschlagen, bei der das von einer entsprechenden Einrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignals
10 bereitgestellte Ansteuersignal
S1 mit einem Dithersignal
y überlagert wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Das Dithersignal
y wird erfindungsgemäß durch einen asymptotisch stabilen nichtlinearen Oszillator
2 erzeugt. Dieser Oszillator
2 ist bevorzugt ein Van-der-Pol-Oszillator, wobei zur Erzeugung des Dithersignals
y die an sich bekannte Van-der-Pol-Gleichung (1) numerisch gelöst wird:
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Hierbei bezeichnen:
- y:
- Ausgangssignal des Oszillators (2), also das gesuchte Dithersignal,
- d1_y:
- erste zeitliche Ableitung des Dithersignals,
- d2_y:
- zweite zeitliche Ableitung des Dithersignals,
- xi:
- Parameter, über den die Form des Dithersignals eingestellt werden kann,
- omega:
- Kreisfrequenz des Dithersignals,
- A:
- Amplitude des Dithersignals,
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Damit sich ein sinnvolles Dithersignal y ergibt, genügt es, zumindest eine der beiden Anfangsbedingungen für y bzw. d1_y ungleich von Null zu wählen. In diesem Fall konvergiert das Dithersignal y gegen einen stabilen Grenzzyklus der Amplitude A und Periodendauer 2*pi/omega.
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Für kleine Werte des Formparameters xi ist das Dithersignal y nahezu sinusförmig, für große Werte von xi nahezu rechteckförmig. Es kann also die spektrale Leistungsdichteverteilung des Dithersignals y durch den Fachmann sehr gut an den Aktor 100 und das vom Aktor angesteuerte System angepasst werden.
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Dadurch, dass das Dithersignal y durch Lösung der Differentialgleichung (1) errechnet wird, ist es selbst bei sprungförmiger Änderung der Parameter xi, omega oder A stetig differenzierbar.
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Zur Realisierung des Dithersignals y in einer elektronischen Echtzeit-Steuerung muss die Differentialgleichung (1) zeitdiskret approximiert werden. Hierfür sind dem Fachmann zahlreiche Verfahren bekannt, z.B. die häufig verwendeten Runge-Kutta-Verfahren.
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Durch Erzeugung des Dithersignals wie oben beschrieben, kann ein deterministisches und insbesondere nahezu sinusförmiges Dithersignal erhalten werden, das selbst bei Umschaltung der Frequenz bzw. Amplitude zu beliebigen Zeitpunkten stetig differenzierbar bleibt. Durch die Autonomie der Differentialgleichung des Oszillators ist keine externe Anregung erforderlich. Ferner kann durch den Formparameter xi die Form des Dithersignals variiert werden, also die spektrale Leistungsdichte. Es können nahezu sinusförmige, nahezu rechteckförmige und Zwischenformen hiervon realisiert werden.
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Sowohl die Schaltungsanordnung als auch das Verfahren können auf einem Steuergerät vorhanden sein bzw. ausgeführt werden.
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Anwendung findet das Verfahren z.B. bei Druckregelventilen, Kupplungsansteuerungen, in Fahrzeuggetrieben oder Lenk- bzw. Bremssystemen.
