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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Positionierung eines
Stellelementes mit einem elektrischen Stellmotor zum Antreiben des
Stellelementes, einem Potentiometer zur Vorgabe des Sollwerts, einem
am Stellmotor angeordneten Istwertaufnehmer und einem Motortreiber
mit einer integrierten, den Soll- und Istwert vergleichenden Auswerte-
und Steuereinheit. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Steuerung der
Bewegung eines Stellelementes, insbesondere von Lüfterklappen
in Kraftfahrzeugen, bei dem mittels eines Potentiometers ein Sollwert
zur Ansteuerung an eine einen Motortreiber beinhaltende Auswerte-
und Steuereinheit weitergeleitet wird und bei dem in der Auswerteeinheit
ein an einem Stellmotor ermittelter Istwert erfasst und mit dem
Sollwert verglichen wird.
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Solche
Antriebseinrichtungen sind beispielsweise für die Verstellung und Positionierung
von Lüftungsklappen
in einem Kraftfahrzeug vorgesehen oder dienen zur Bewegung von Stellelementen
in Regel- oder Steuerkreisen.
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Zwecks
Realisierung einer derartigen Antriebseinrichtung ist es bekannt,
Schrittmotore mit Getriebe beziehungsweise Gleichstrommotore mit angeflanschtem
Potentiometer am Getriebeausgang oder Gleichstrom-Getriebemotore
mit im Motor integrierten Hall-Sensoren zu verwenden. Um eine unbeabsichtigte
Verstellung des Stellelementes durch äußere Stelleinflüsse, im
Falle einer Lüftungsklappe beispielsweise
durch die Einwirkung des Luftstroms, zu verhindern, wird bei Stellantrieben
mit einem Getriebe letzteres üblicherweise
selbsthemmend ausgeführt.
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Die
Positionierung des Stellelementes erfolgt beim Schrittmotor durch
schrittweisen Antrieb und Zählen
der Ansteuerimpulse. Bei mit einem Potentiometer versehenen Gleichstrommotor
wird die Positionierung mittels Messung der zum Verstellwinkel proportionalen
Potentiometerspannung vorgenommen, wie bekannt und in der
DE 197 04 867 C1 beschrieben.
Die Betätigung
der Gleichstrommotoren erfolgt dann mit Hilfe eines Stellpotentiometers
in der Bedieneinheit.
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Schwierigkeiten
bei einer Auslösung
einer Ansteuerung der Stellmotoren mittels des Stellpotentiometers
können
dann auftreten, wenn das Stellpotentiometer nur um eine Rast oder
einen minimalen Betrag verändert
wird. In diesem Fall, kann die Abweichung zwischen Sollwert und
Istwert ungenügend groß sein,
so dass der Sollwert nicht über
die Hysterese des Motortreibers hinausgeht und der Stellmotor nicht
aktiviert wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Verbesserung der Auslösung einer
Ansteuerung eines Stellmotors zu entwickeln, die unabhängig von der
Hysterese des Motortreibers selbst bei minimalen Änderungen
des Sollwerts den Stellmotor aktiviert und damit den Istwert an
den Sollwert angleicht. Darüber
hinaus soll die Schaltung konstruktiv einfach aufgebaut und kostengünstig zu
fertigen sein. Eine Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein
Verfahren zur Ansteuerung der Bewegung eines Stellelementes zu entwickeln,
dass eine gute Dynamik aufweist und auf kleinste Änderungen
des Sollwerts anspricht. Im weiteren soll das Verfahren leicht einzustellen
und in beliebige Antriebseinrichtungen integrierbar sein.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird dahingehend gelöst,
dass dem Sollwert ein impulsförmiges Signal überlagerbar
ist und dass das impulsförmige Signal über eine
in der Auswerte- und
Steuereinheit vorliegende Hysterese des Motortreibers hinausgeht. Mit
den Mitteln nach der Erfindung ist nun die Möglichkeit geschaffen, selbst
bei minimalen Verstellbewegungen des Stellpotentiometers in der
Bedieneinheit den Istwert an den Sollwert anzugleichen. Durch die Überlagerung
eines impulsförmigen
Signals über den
Sollwert, die in Summe über
die Hysterese des Motortreibers hinausgehen, wird der Stellmotor
unmittelbar nach dem Betätigen
des Stellpotentiometers aktiviert und der Stellmotor verfährt in die
vorgegebene, minimal abweichende Position. Soll- und Istwert werden
somit sehr schnell wieder angegli chen. Dieses schnelle Angleichen
oder besser gute Dynamik der Schaltung ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gedankens.
Inbesondere durch den Einsatz eines in einen Binärzähler integrierten Oszillators
kann zum einen die Frequenz der Impulsfolge variiert werden und
es kann darüber
hinaus mittels des Binärzählers die
Dauer der Überlagerung
variiert werden. In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung
ist der frequenzbestimmenden Zähleinheit
eine weitere Schaltung nachgeschaltet, die aus einem Impulsformer
und einer Koppelschaltung besteht. Durch den Impulsformer kann die
Impulslänge
variiert und durch die Koppelschaltung können die positiven Impulse
ausgekoppelt werden. Hierbei besteht der Impulsformer im wesentlichen
aus einem RC-Glied und die Kuppelschaltung aus einer Diode.
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In
verfahrenstechnischer Hinsicht wird die gestellte Aufgabe dahingehend
gelöst,
dass bei jeder Verstellung des Potentiometers eine Zähleinheit
mit einem integrierten Oszillator aktiviert wird und dass der Sollwert
mit einem der im Oszillator erzeugten Frequenz entsprechenden und über eine
in der Auswerte- und Steuereinheit vorliegende Hysterese hinausgehenden,
impulsförmigen
Signal überlagert wird.
Mit den Mitteln nach der Erfindung, kann nun mit minimalem Aufwand
ein Motortreiber selbst bei kleinsten Sollwertänderungen aktiviert werden.
Mit dem Betätigen
des Stellpotentiometers in der Bedieneinheit wird eine Zähleinheit
mit einem integrierten Oszillator aktiviert. Die im Oszillator erzeugte
Frequenz wird dabei dem von dem Stellpotentiometer ausgegebenen
Sollwert überlagert.
Dabei kann die Frequenz durch den in der Zähleinheit vorhandenen Binärzähler eingestellt
oder in einer weiteren Ausgestaltungsvariante beschrieben, mittels
eines nachgeschalteten Impulsformers und einer Koppelschaltung moduliert
werden. Das dem Sollwert überlagerte
impulsförmige
Signal dient dabei lediglich zur Stellmotoraktivierung. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren
wird eine vorliegende elektrische Steuerung zur Bewegung eines Stellelementes
dahingehend verbessert, dass die Schaltung wesentlich dynamischer und
sensibler auf Sollwertänderungen
reagiert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und mittels Diagrammen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Schaltung für eine Antriebseinrichtung
zur Positionierung eines Stellelementes,
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2 den
Soll-Istwertverlauf einer Steuerschaltung gemäß dem Stand der Technik und
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3 ein
Diagramm mit dem Soll-Istwertverlauf einer Steuerschaltung mit integrierter,
erfindungsgemäßer Hilfsschaltung.
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In
der 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Schaltung
zur Steuerung eines Stellmotors 1 mit einer integrierten
Hilfsschaltung 2 dargestellt. Die Schaltung besteht aus
einer Zuleitung für
den Sollwert 3, die von einem nicht dargestellten Stellpotentiometer
in der Bedieneinheit kommt, einer weiteren Leitung die den Istwert 4 übermittelt,
einer Schalteinheit 5 mit integriertem Motortreiber 6 und
einer Auswerteeinheit 7 zum Vergleich von Soll- und Istwert und
den Stellmotor 1, der an die Schalteinheit 5 angeschlossen
ist. Die Hilfsschaltung 2 beinhaltet eine Zähleinheit 8,
die im wesentlichen aus einem Binärzähler 9 besteht und
der der Zähleinheit 8 nachgeschalteten
Impulsformer- und Koppelschaltung 10. Über die Zuleitung 11 ist
die Zähleinheit 8 mit
dem Stellpotentiometer für
den Sollwert 3 verbunden, so dass unmittelbar nach dem
Betätigen
des Bedienelementes des Stellpotentiometers ein Startimpuls über die
Zuleitung 11 an die Zähleinheit 8 übermittelt
wird. Das in der Zähleinheit 8 initiierte
Signal gelangt über die
Impulsformer- und die Koppelschaltung 10 in den Verknüpfungspunkt 12,
in dem das erzeugte Signal dem Sollwert 3 überlagert
wird. Zusätzlich
beinhaltet die Hilfsschaltung 2 eine Rückkopplung 13 mittels
der die Zähleinheit 8 nach
einer mittels des Binärzählers 9 einstellbaren
Zeit deaktiviert wird. Dieses Deaktivierungssignal der Rückkopplung 13 wird
ebenfalls an die Schalteinheit 5 übermittelt, wodurch der Motortreiber 6 ebenfalls
deaktiviert wird.
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Wird
nun über
das Stellpotentiometer ein veränderter
Sollwert 3 eingestellt, so wird hierdurch gleichzeitig über die
Zuleitung 11 ein Signal an die Zähleinheit 8 übermittelt.
In der Zähleinheit 8 wird nun
mittels eines in den Binärzähler 9 integrierten Oszillators 14 eine
Frequenz erzeugt. Der Binärzähler 9 besitzt
mehrere Ausgänge
Q von denen ein jeweils die Frequenz durch den Faktor 2'' teilendes impulsförmiges Signal ausgegeben wird.
Hierbei steht n für
den jeweiligen Ausgang Q am Binärzähler 9.
Wird nun beispielsweise im Oszillator eine Frequenz von 400 Hz erzeugt
und der fünfte
Ausgang am Binärzähler abgegriffen
so ergibt sich eine abgreifbare Frequenz aus der Berechnung 400
Hz : 24, was einer Frequenz von 25 Hz entspricht.
Diese Frequenz entspricht einer Impulsfolge von 20 ms zu 20 ms.
In dem in die sem Ausführungsbeispiel
dargestellten Schaltbild wird diese Impulsfolge der nachgeschalteten
Impulsformer- und Koppelschaltung 10 zugeführt. Hier kann
die Impulsfolge beispielsweise über
ein RC-Glied auf vorzugsweise 100 μs minimiert und mittels einer
Diode können
die positiven Impulse ausgekoppelt werden. Ein noch bevorzugterer
Impuls besitzt die Impulsdauer von 10 μs. Dieses im Impulsformer 10 und
in der Koppelschaltung 10 modulierte Signal wird im Verknüpfungspunkt 12 dem
neu eingestellten Sollwert 3 überlagert und dem Motortreiber 6 in
der nachgeschalteten Schalteinheit 5 zugeführt. Sollte
nun die Sollwertänderung
im Stellpotentiometer der Bedieneinrichtung so klein ausgefallen
sein, dass die Sollwertänderung
nicht ausreicht um über die
Hysterese des Motortreibers 6 hinauszugehen, so reichen
die Spannungsspitzen der dem Sollwert überlagerten Impulse über die
Hysterese hinaus und aktivieren somit den Motortreiber 6.
Dies führt
wiederum zu einer Veränderung
des Istwertes des Stellmotors 1 und folglich auch zu einer
Angleichung des Istwertes an den Sollwert. Die erfindungsgemäße Hinzufügung der
Hilfsschaltung 2 zur Antriebseinrichtung für den Stellmotor 1 bietet
somit den Vorteil, dass selbst kleinste Veränderungen des Sollwertes 3 zur
Aktivierung des Stellmotors 1 führen.
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Neben
dem impulsförmigen
Signal, das dem Binärzähler 9 zur
Beaufschlagung eines Impulses über
den Sollwert 3 entnommen wird, wird dem Binärzähler 9 ebenfalls
an einem seiner Ausgänge
ein Signal abgenommen, dass zur Deaktivierung der Zähleinheit 8 führt. Dieses
zusätzlich
abgenommene Signal wird einerseits rückgekoppelt 13 und
andererseits der Schalteinheit 5 und dem darin enthaltenen Motortreiber 6 zugeführt. Das
Signal der Rückkopplung 13 stoppt
einerseits die Zähleinheit
und andererseits bewirkt das Signal, dass der Motortreiber 6 deaktiviert
wird. Je nach gewähltem
Ausgang am Binärzähler 9 kann
somit die Dauer der Überlagerung des
Sollwerts mit dem impulsförmigen
Signal eingestellt werden.
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Um
die Funktionsweise eines Treiberbausteins 6 in Bezug auf
minimale Änderungen
des Sollwertes zu erläutern,
sind in der 2 zwei Diagramme dargestellt,
wobei das obere Diagramm den Verlauf des Sollwertes 3 als
absoluten Spannungswert über
die Zeit wiedergibt. Das untere Diagramm in 2 zeigt
den Spannungsverlauf UM am Stellmotor 1 der über die
Zeit t aufgetragen ist. In das obere Diagramm ist ebenfalls die
Hysterese des Treiberbausteins 6 in ihren oberen 15 und
unteren 16 Grenzen wiedergegeben. Zusätzlich wurde der Verlauf des
Istwertes 4 als gestrichelte Linie in das Diagramm aufgenommen.
Zum Zeitpunkt t0 befindet sich der Stellmotor 1 im
Ruhezustand. Zum Zeitpunkt t1 wird das Sollwert-Potentiometer mittels
der Bedieneinrichtung vom Bediener betätigt, wobei der Sollwert um
einen minimalen Betrag verändert
wird. Um sich hierbei ein Bild von der Größenordnung der anliegenden
Spannungen zu machen, kann in diesem Ausführungsbeispiel von einer Sollwertänderung
von ca. 40 mV ausgegangen werden, was etwa einer Rast am Bedienelement
oder ohne Rasteinrichtung einer minimalen Verstellung des Bedienelementes
entspricht. Die Hysterese des Motortreibers 6 kann beispielsweise als
obere Abweichung vom Sollwert eine Größe von etwa 100 mV aufweisen.
Die Sollwertänderung
zum Zeitpunkt t1 geht somit nicht über die
Hysterese des Motorstreibers 6 hinaus, folglich wird der
Stellmotor 1 nicht aktiviert. Selbst die wiederum minimale Änderung
des Sollwerts zum Zeitpunkt t2 reicht nicht über die
Hysterese des Treiberbausteins 6 hinaus, so dass der Stellmotor 1 wiederum
nicht aktiviert wird. Erst nach einer nochmaligen Änderung
des Sollwertes zum Zeitpunkt t3 wird die
obere Grenze der Hysterese überschritten
und der Stellmotor 1 wird aktiviert. Zu diesem Zeitpunkt
t0 folgt der Istwert dem Sollwert bis zu
einem Zeitpunkt t5 zu dem der Istwert dem
Sollwert wieder angeglichen ist. Für diesen Zeitraum t0 bis t5 ist im unteren
Diagramm der 2 die Motorspannung UM als Funktion der Zeit wiedergegeben. Im
folgenden wird darauf hingewiesen, dass die Angleichung zwischen
Soll- und Istwert, die in diesem Diagramm eine gleich große Spannung
aufweisen, möglich
aber nicht zwingend notwendig ist. Vielmehr soll in diesem Diagramm
die Abweichung zwischen Sollwert 3 und Istwert 4 dargestellt
werden, ohne das die Spannungswerte von Soll- und Istwert 3, 4 in
ihren absoluten Werten übereinstimmen
müssen.
Dies gilt insbesondere auch für
das Diagramm in 3. Das obere Diagramm in 2 repräsentiert den
Stand der Technik, bei dem der Istwert dem Sollwert nur nach einer
sehr großen
Veränderung
des Sollwertes folgt. Dieser Nachteil kann entspre chend dem Einsatz
einer erfindungsgemäßen Hilfsschaltung
zur Ansteuerung des Stellmotors 1 eliminiert werden. Ein
entsprechender Soll- und Istwertverlauf ist in 3 wiedergegeben.
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3 zeigt
das Impuls- und Wirkdiagramm einer mit einer erfindungsgemäßen Hilfsschaltung versehenen
Schaltung zur Verbesserung der Auslösung einer Ansteuerung des
Stellmotors 1. Das obere Diagramm in 3 zeigt
wiederum den Verlauf des Sollwertes 3 sowie die Abweichungen
des Istwertes 4, als gestrichelte Linie und die oberen
15 und unteren 16 Grenzen der Hysterese des Treiberbausteins 6.
Zusätzlich
zeigt das Diagramm die mittels der Hilfsschaltung 2 dem
Sollwert 3 überlagerten
Impulse 17. Zum Zeitpunkt t0 befindet
sich das Stellelement beziehungsweise der Stellmotor 1 im
Ruhezustand. Zum Zeitpunkt t1 wird wiederum
der Sollwert des Sollwert-Potentiometers mittels der Bedieneinrichtung
vom Bediener um einen Betrag von beispielsweise 40 mV verändert. Nun
wird, wie bereits zu 1 beschrieben, die Zähleinheit 8 über die
Zuleitung 11 aktiviert und dem Sollwert 3 wird
ein impulsförmiges
Signal 17 überlagert.
Da das impulsförmige
Signal 17 erfindungsgemäß größer ist
als die maximale Differenz zwischen Sollwert 3 und oberer Grenze 15 der
Hysterese, reicht das impulsförmige Signal 17 über die
Hysterese des Treiberbausteins 6 hinaus und der Motortreiber 6 zur
Ansteuerung des Stellmotors 1 wird freigegeben. Wie im
unteren Diagramm der 3 dargestellt wird nun der Stellmotor 1 mit
der Spannung UM zum Zeitpunkt t2 beaufschlagt.
Klar zu erkennen ist auch, dass die Überlagerung der impulsförmigen Signale
mit dem Ausgleich zwischen Soll- und Istwert 3, 4 enden,
da zu diesem Zeitpunkt der Motortreiber 6 abgeschaltet wird.
Hierdurch wird erfindungsgemäß selbst
bei minimalen Änderungen
des Sollwertes 3 sichergestellt, dass der Stellmotor 1 den Änderungen
des Sollwertes 3 folgt. Der Istwert 4 wird dabei
sehr schnell an den neu vorgegebenen Sollwert angeglichen. Diese sehr
gute Dynamik des Ausgleichs zwischen Soll- und Istwert stellt einen
weiteren erfindungsgemäßen Vorteil
dar. Es ist natürlich
selbstverständlich,
dass bei einer Verstellung des Sollwert-Potentiometers in entgegengesetzte
Richtung der Stellmotor 1 in die umgekehrte Richtung verfährt, wobei
die impulsförmigen
Signale 17 ebenfalls dem Sollwert 3 überlagert werden
und zur Vermessung der Auslösung
der Ansteuerung des Stell motors 1 dienen.
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In
Bezug auf den realen Ablauf wird bei Betätigung des Sollwert-Potentiometers
ein Reset am Binärzähler 9 auslöst, somit
werden alle Ausgänge auf
Low umgestellt und die Zeit gestartet sowie der Treiberbaustein 6 freigegeben.
Dabei wird die Zeit beziehungsweise die Dauer der Beaufschlagung
der impulsförmigen
Signale 17 mit dem Sollwert 3, wie beschrieben über den
abgegriffenen Ausgang am Binärzähler 9 eingestellt.
Je nach abgegriffenem Ausgang am Binärzähler 9 kann die Dauer
der Beaufschlagung somit variiert werden. Ist nun die vorgebbare
Zeit abgelaufen, so wird der Ausgang Q auf High gesetzt. Dieses
High-Signal wird einerseits an die nachgeschaltete Schalteinheit 5 und
somit an den Motortreiber 6 übermittelt und andererseits über die Rückkopplung 13 als
Eingang auf die Zähleinheit 8 gegeben.
Das High-Signal bewirkt nun einerseits, das der Motortreiber 6 deaktiviert
wird und andererseits über
die Rückkopplung 13,
das die Zähleinheit 8 ausgeschaltet
wird. Die Zeit ist dabei auf einen Maximalwert festgelegt, der die
maximale Verstellzeit des Stellelementes berücksichtigt, wie im weiteren beschrieben.
Nach einem Angleich von Soll- und Istwert 3, 4,
durch die Auswerteeinheit 7 erfaßt wird, wird der Motortreiber 6 wieder
ausgeschaltet.
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Bei
einem maximalen Verstellen des Stellelementes mittels des Stellmotors 1,
das heißt,
wenn das Sollwert-Potentiometer von seiner Null-Stellung bis an
den Endanschlag durch eine Bewegung des Bedieners verstellt wird,
so ist diese maximale Verfahrzeit des Stellmotors 1 ein
Maß für die maximale Dauer
der erzeugten Impulse aus der Zähleinheit 8. Der
Ausgang des Binärzählers 9 zur
Rückkopplung 13,
das heißt
zum Stoppen der Zähleinheit 8,
wird erfindungsgemäß derart
gewählt,
dass das Ausgangssignal zur Deaktivierung der Zähleinheit 8 nach einer Zeit
erfolgt, nach der der Stellmotor 1 in der Lage gewesen
wäre von
einem Endanschlag, das heißt
vollkommen geöffnet,
bis zu seinem anderen Endanschlag, das heißt vollständig geschlossen, zu verfahren.