DE19548077A1 - Treibersteuerung f}r einen Servomotor - Google Patents

Treibersteuerung f}r einen Servomotor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Treibersteuerung für einen Servomotor, insbesondere eine Servomotortreibersteuerung, bei der die Genauigkeit der Haltestellung eines von einem Gleichstrom-Servomotor angetriebenen Stellglieds verbessert ist.
Ein Servomotor dient z. B. zur elektrischen Einstellung einer Luftstrom­ leitklappe in einem Luftauslaß einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, oder zum Einstellen eines Frischluft-/Umluft-Umschalthebels.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Servomotor-Treiber- Steuerung.
Ein Gleichstrom-Servomotor 10, der als Antriebsquelle für ein Motor- Stellglied (M/A) dient, ist mit einer Treiberschaltung 11 verbunden, die ihrerseits an eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 12 angeschlossen ist.
Wenn die CPU 12 ein Befehlssignal ausgibt, demzufolge die Treiber- Schaltung 11 ein Signal mit hohem Pegel (H) abgibt, dreht sich der Gleichstrom-Servomotor 10, während bei einem Befehl entsprechend einem niedrigen Pegel (L) seitens der CPU 12 der Servomotor 12 an­ hält. Durch das Ein-/Aus-Schalten des Gleichstromausgangs erfolgt also eine Steuerung zum Starten und Anhalten der Drehung des Servomotors 10. Von einer Detektoreinrichtung wird z. B. der Winkel einer Luft- Stromleitklappe oder ein Frischluft-/Umluft-Umschalthebel einer Klima­ anlage in Form eines elektrischen Signals erfaßt und an die CPU 12 gegeben. Auf der Grundlage dieses Signals werden Starten und Anhalten der Drehung des Servomotors 12 gesteuert. Wenn die Ziel-Anhalte­ stellung des Motorstellglieds (M/A) und der erfaßte Stellungswinkel miteinander übereinstimmen, liefert die CPU 12 einen Befehl zum An­ halten der Drehung des Servomotors 10, demzufolge der Servomotor 10 Stehen bleibt.
Wenn nun aber bei dieser konventionellen Anordnung die Stromversor­ gung für den Gleichstrom-Servomotor 10 zum Anhalten des Servomotors in der Zielstellung unterbrochen wird, dreht sich der Rotor des Motors durch die Trägheitskräfte noch ein Stück weiter, so daß er über die Zielposition hinaus gelangt.
Die damit verbundenen Probleme sollen im folgenden näher betrachtet werden, wobei als Beispiel die Einstellung einer Luftstromleitklappe eines Luftauslasses einer Klimaanlage dienen soll. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, hält das Motorstellglied M/A, nachdem es aus der Stellung "1" in Richtung Zielstellung gedreht wurde, in der Stellung "2" an, bedingt durch die Trägheitskraft. Dabei ist das Motorstellglied über die Zielpo­ sition hinaus gefahren. Nun erfolgt eine Steuerung in der Weise, daß der Servomotor 10 in Rückwärtsrichtung gedreht wird, um die Zielposition anzufahren. Bei diesem Vorgang hält das Motorstellglied M/A in der Position "3", ist also wiederum über die Zielposition hinaus gelangt. Als Gegenmaßnahme wird der Servomotor 10 wieder in Vorwärtsrichtung gedreht, so daß er hinter der Zielposition in der Stellung "4" anhält. Wenn nun der Servomotor 10 erneut in Rückwärtsrichtung gedreht wird, gelangt das Motorstellglied M/A wiederum etwas über die Zielposition hinaus und hält in der Stellung "5" an. Dieses an sich bekannte Nach­ lauf-Phänomen macht es unmöglich, das Motorstellglied exakt auf die Zielposition einzustellen.
Es ist bekannt, diesem Problem durch Bildung einer Hysterese (Tole­ ranzbereich) um die Zielposition herum zu begegnen. Um allerdings die Genauigkeit der Halteposition zu erhöhen, muß man die Hysterese rela­ tiv schmal machen, wozu man die CPU und das Motorstellglied M/A selbst ändern muß. Bei der herkömmlichen Anordnung ist es daher nicht möglich, eine Verbesserung zu erreichen. Man ist auf einen Neuentwurf der Vorrichtung angewiesen.
Ein erstes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Treiber­ steuerung für einen Servomotor, die in der Lage ist, die Breite der Hysterese zu verkleinern und damit die Genauigkeit der Anhalteposition eines Motorstellglieds zu verbessern.
Ein zweites Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Treibersteuerung für einen Servomotor, bei der die Drehzahl des Motors, d. h. die Dreh­ geschwindigkeit des Motors abnimmt, sobald sich das Motorstellglied der Zielposition nähert, um dadurch die Zielposition mit höherer Genauigkeit zu erreichen.
Ein drittes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Treibersteuerung für einen Servomotor, bei der die Anzahl von Umdrehungen des Motors analog variiert wird, um das Anhalten des Motors in einer Zielposition mit höchstmöglicher Genauigkeit vorzunehmen.
Ein viertes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Treiber­ steuerung für einen Servomotor, die einen einfachen Aufbau besitzt, klein baut und wenig kostet.
Ein fünftes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Treibersteuerung für einen Servomotor, bei der auch bei einem kleinen Tastverhältnis nicht zu befürchten steht, daß das angestrebte Motor-Drehmoment nicht mehr erreicht wird oder der Motor stillsteht, wenn die Versorgungs- Spannung für den Motor, die durch die Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird, Schwankungen unterliegt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Treibersteuerung für einen Servomotor geschaffen, bei der dem Servo­ motor eine Gleichspannung zugeführt wird, und die eine Stellungsdetek­ toreinrichtung aufweist, um die Drehstellung des Servomotors zu er­ fassen, und die eine Steuereinrichtung aufweist, die umschaltet von Gleichstrom-Antrieb auf PWM-Antrieb (Antrieb mit Pulsbreitenmodu­ lation), wenn eine von der Positionsdetektoreinrichtung erfaßte Stellung sich in der Nähe eines Wertes befindet, der der Anhalte-Zielposition entspricht. Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Hysterese schmal zu machen und damit die Genauigkeit der Motor-Anhaltestellung zu ver­ bessern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen, in der mehrere Tastverhältniswerte in einem PWM-Antrieb eingestellt und von größeren schrittweise auf kleinere Werte umge­ schaltet werden. Demzufolge läßt sich die Drehgeschwindigkeit des Motors absenken, wenn das Motorstellglied sich der Anhalte-Zielposition annähert, wodurch das Anhalten des Motors in der Zielposition sehr genau stattfindet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung ge­ schaffen, in der wegen der kontinuierlichen Einstellung der Tastver­ hältniswerte eines PWM-Antriebs und der schrittweisen Umschaltung von größeren auf kleinere Werte die Anzahl der Motorumdrehungen sich praktisch analog ändert, wodurch die Steuerung zum Anhalten des Motors in der Anhalte-Zielposition mit höchster Genauigkeit erreichbar ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen, bei der der Aufbau der Treibersteuerung deshalb vereinfacht und ihre Baugröße und Kosten deshalb verringert sind, weil als Posi­ tionsdetektoreinrichtung ein Potentiometer verwendet wird.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung ge­ schaffen, bei der beispielsweise dann, wenn das Tastverhältnis des PWM-Antriebs auf 10% fest eingestellt wird (ein kleines Tastverhältnis führt zu einer verbesserten Steuerungsgenauigkeit, macht es jedoch unmöglich, ein bestimmtes Mindest-Drehmoment zu erreichen), weder zu befürchten steht, daß das gewünschte Motordrehmoment nicht mehr erreicht wird aufgrund einer Änderung der Motor-Versorgungsspannung seitens der Fahrzeugbatterie, noch zu befürchten steht, daß der Motor versagt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Ein Schaltungsdiagramm einer Treibersteuerung für einen Servomotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches den Betrieb der ersten Ausführungsform erläutert;
Fig. 3 ein Treiberspannungs-Wellenformdiagramm für einen Servomotor der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer Treibersteuerung für einen Servomotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine anschauliche Darstellung einer PWM-Steuerung für die zweite Ausführungsform;
Fig. 6 ein Flußdiagramm, welches die Arbeitsweise der zweiten Aus­ führungsform veranschaulicht;
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer konventionellen Treibersteuerung für einen Servomotor; und
Fig. 8 eine anschauliche Darstellung des Nachlauf-Phänomens für ein Stellglied, wie es bei einer herkömmlichen Treibersteuerung für einen Servormotor auftritt.
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Treibersteuerung für einen Servomotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Ein Gleichstrom-Servomotor 1 dient als Antriebsquelle für ein Motor­ stellglied (M/A) 2, durch welches die Luftströmungsleitklappe in einem Luftauslaß einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage oder ein Frischluft-/Umluft- Umschalthebel durch das Drehen des Servomotors 1 verstellt wird. Mit Hilfe des Widerstandswerts eines Potentiometers (eines veränderlichen Widerstands) 3, welches eine Positionsdetektoreinrichtung darstellt, wird die Drehstellung des Gleichstrommotors 1 erfaßt. Eine CPU 4 (Steuer­ einrichtung) dient zum Steuern des Servomotors 1, wozu ein Ausgangs­ anschluß der CPU 4 mit einem Treiber 5 verbunden ist, der den Servo­ motor 1 treibt. Beispielsweise wird ein Einzelchip-Microcomputer als CPU 4 verwendet, und an dem Microcomputer sind zur Speicherung von Programmen ein ROM und zur Speicherung von Daten und dergleichen ein RAM angeschlossen. Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, die dem Gleichstrom- Servomotor 1 zugeführte Spannung umgeschaltet von Gleichspannung auf PWM-Spannung (eine pulsbreiten-modulierte Spannung), wenn eine Annäherung an die Anhalteposition stattfindet. Ein Steuerprogramm für eine solche Spannungsänderung ist in dem ROM abgespeichert.
In dem Treiber 5 befindet sich eine aus Transistoren und ähnlichen Bauelementen bestehende Schaltung, die dem Gleichstrom-Servomotor 1 eine vorbestimmte elektrische Leistung nach Maßgabe eines von der CPU 4 kommenden Befehls zuführt. Der Teil, der an den Servomotor angeschlossen ist, ist als H-Brückenschaltung aus vier Leistungs­ transistoren gebildet.
Weiterhin ist eine Eingangsschutzschaltung 6 vorgesehen, die eine von einem Schleiferarm des Potentiometers 3 kommende Spannung in ein Signal umwandelt, welches kennzeichnend ist für die derzeitige Motor­ stellung, und dieses Signal wird in die CPU 4 eingegeben.
Anhand des in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramms und unter zu Hilfe­ nahme des in Fig. 3 gezeigten Impulsdiagramms wird im folgenden die Arbeitsweise dieser Treibersteuerung erläutert.
Wenn auf der Stirnseite einer Bedientafel einer Kraftfahrzeugklimaanlage eine Betätigungstaste gedrückt wird (Schritt 201), wird von der CPU 4 an den Treiber 5 ein Befehl gegeben (Schritt 202), um den Treiber 5 anzusteuern, und es wird an den Gleichstrom-Servomotor 1 eine Gleich­ spannung angelegt (Schritt 203). Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Gleichspannung Vcc an das Potentiometer 3 gelegt, und die Ausgangs­ spannung an dem Schleiferarm des Potentiometers ändert sich mit der Drehung des Servomotors 1. Diese Ausgangsspannung wird als Ist- Stellungssignal von der CPU 4 über die Eingangsschutzschaltung 6 übernommen.
Wenn die CPU 4 feststellt, daß das Ist-Stellungssignal sich der Ziel­ position (Soll-Stellung) annähert (Schritt 204), gibt sie an den Treiber 5 einen Befehl, umzuschalten von Gleichspannung auf PWM-Spannung (Schritt 205), was dazu führt, daß der Treiber 5 anstelle der Gleich­ spannung eine PWM-Spannung ausgibt, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Der Servomotor 1 verlangsamt die Drehgeschwindigkeit proportional zum Tastverhältnis der PWM-Spannung.
Wenn beispielsweise das Tastverhältnis auf 50% eingestellt wird, wird die Motordrehzahl nur halb so groß, und deshalb ist es möglich, die Breite der Hysterese auf die Hälfte zu verringern. Wenn die PCU 4 durch Überwachung des Ist-Stellungssignals feststellt, daß das Motor­ stellglied die Anhalteposition erreicht hat (Schritt 206), gibt die CPU 4 ein Ausschaltsignal an den Treiber 5 (Schritt 207), der seinerseits die Zufuhr elektrischer Leistung zu dem Servomotor 1 anhält (Schritt 208).
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem oben erläuterten Aufbau ist es, indem die Steuerung des Umschaltens von Gleichstrombetrieb auf PWM-Betrieb zur Verringerung der Drehzahl des Servomotors 1 erfolgt, möglich, die Hysteresebreite zu verringern und dadurch die Genauigkeit beim Erreichen der Anhalteposition des Motorstellglieds M/A zu ver­ bessern.
Im folgenden soll eine modifizierte Version der ersten Ausführungsform beschrieben werden.
Obschon bei der Erläuterung der ersten Ausführungsform das PWM- Tastverhältnis auf 50% eingestellt wurde, kann eine Modifizierung dieses Merkmals in der Weise erfolgen, daß eine Mehrzahl von Einstell­ werten vorgesehen wird, beispielsweise in der Form 100% (Gleich­ stromantrieb) 75%, 50% und 25% usw., so daß nach dem Gleich­ stromantrieb mit 100% eine anschließende Umschaltung des PWM- Tastverhältnisses schrittweise von 75 auf 50 und dann auf 25% erfolgt.
Eine solche Steuerung ermöglicht das Erreichen der Anhalteposition in glatterer Weise bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit.
Im folgenden wird eine weitere Variante der Erfindung erläutert.
Bei der oben angegebenen modifizierten Version wurde das PWM- Tastverhältnis Schritt für Schritt bis auf einen Wert von 25% ver­ ringert. Es kann auch eine noch feinere Abstufung erfolgen. Bei der hier zu beschreibenden weiteren modifizierten Version wird das Tastver­ hältnis z. B. im Bereich von 100% bis 25% eingestellt, indem die Abstufung jeweils um 2% erfolgt, also 75% - - - . . . - - - 60% - - - 58% - - - 56% - - - 54% - - - . . . - - - 25%, so daß man zu einer Steuerung bzw. Re­ gelung kommt, die dem Analogbetrieb ähnelt.
Als Ergebnis ist es möglich, eine wesentlich glattere und ruhigere Steuerung als bei der ersten modifizierten Version zu erreichen.
Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrie­ ben.
Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm einer Treibersteuerung gemäß dieser zweiten Ausführungsform, Fig. 5 ist eine anschauliche Ansicht einer PWM-Steuerung für die zweite Ausführungsform, und Fig. 6 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise dieser zweiten Aus­ führungsform nach Fig. 4.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, wird auch bei dieser zweiten Ausführungsform dann, wenn die Luftstromleitklappe in dem Luftkanal sich der Zielposition annähert, ein Steuerverfahren umge­ schaltet vom Gleichstromantrieb auf PWM-Antrieb des Motors 1, welcher die Klappe verstellt. Allerdings ist für die zweite Ausführungs­ form typisch, daß das Tastverhältnis des PWM-Antriebs nach Maßgabe des Betriebszustands des Motors verändert wird, welcher Zustand einem von zwei Zuständen entspricht, in denen der Motor in Betrieb ist oder der Motor ruht.
Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung der zweiten Ausführungsform ent­ hält einige Teile, die mit Teilen der Schaltung nach Fig. 1 identisch sind. Diese Teile tragen entsprechende Bezugszeichen.
Bei der zweiten in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird der Be­ triebszustand des Gleichstrom-Servomotors 1 von dem Potentiometer 3 erfaßt, und es wird ein Rückkopplungssignal direkt an die CPU 4 ge­ geben.
Anhand der Fig. 5 und 6 soll nun die Arbeitsweise dieser Aus­ führungsform beschrieben werden.
Wenn sich das Motorstellglied 2 der Anhalte-Zielposition nähert, wird das Motorsignal, bei dem es sich bis dahin um ein Gleichstrom-Steuer­ signal gehandelt hatte, umgeschaltet auf PWM-Steuerung. Zu diesem Zeitpunkt beträgt das PWM-Tastverhältnis 100% (Schritt 61). Ein Abfragen der Potentiometerspannung des Potentiometers 3 ergibt den Betriebszustand des Motors 1 (Schritt 62). Liegt das Ergebnis im PWM- Steuerungsbereich, so wird die PWM-Steuerung in Gang gesetzt und das PWM-Tastverhältnis auf a₁ % (z. B. 8%) eingestellt (Schritt 63). Wenn zu diesem Zeitpunkt hinsichtlich des Rückkopplungssignals keine Ände­ rung erfolgt, auch nachdem eine gewisse Zeit (z. B. 0,5 sek.) verstrichen ist, wird davon ausgegangen, daß der Motor nicht in Betrieb ist (Aus­ gang "Nein" im Schritt 64). Dann wird das PWM-Tastverhältnis auf a₂ % angehoben (Schritt 66). Wenn wiederum keine Änderung im Rückkopplungssignal seitens des Motorstellglieds 2 zu erkennen ist ("Nein" im Schritt 64), wird das PWM-Tastverhältnis auf a₃ % ange­ hoben (Schritt 66). Dieser Vorgang (Schritte 64 und 66) wird so lange wiederholt, bis das Tastverhältnis 100% erreicht ist, vorausgesetzt, daß, wenn das Rückkopplungssignal vom Motorstellglied 2 nach Verstreichen einer gewissen Zeit eine Änderung um einen gewissen Wert oder darüber zeigt ("Ja" in Schritt 64) das Tastverhältnis bis zu der Anhalte- Soll-Position beibehalten wird (Schritt 65). Die Relation des PWM- Tastverhältnisses sind a₁ < a₂ < a₃.
Der Betrag der Änderung des PWM-Tastverhältnisses kann frei geändert werden, beispielsweise in der Form 8%, 9%, 11%, 13%, 15%, 20 %, 50% und 100%.
Das von dem Motorstellglied 2 kommende Rückkopplungssignal wird in der CPU einer arithmetischen Verarbeitung unterzogen, und das so verarbeitete Signal wird an den Treiber 5 ausgegeben, so daß das Tast­ verhältnis in dem PWM-Antrieb sich sukzessive ansprechend auf den Betriebszustand des Motors 1 ändert.
Bei der oben erläuterten zweiten Ausführungsform muß man beispiels­ weise dann, wenn das Tastverhältnis des PWM-Antriebs auf 10% fest­ gelegt wird (ein kleines Tastverhältnis erhöht die Steuerungsgenauigkeit, allerdings wird ein gewünschte Drehmoment möglicherweise nicht er­ reicht) nicht befürchten, daß ein gewünschtes Drehmoment des Motors 1 unerreichbar ist oder der Motor 1 ausfällt aufgrund einer Schwankung der Betriebsspannung für den Motor 1, wobei die Betriebsspannung typischerweise von der Bordbatterie des Fahrzeugs kommt.
Obschon bei dem ersten Ausführungsbeispiel 50% als konkreter Wert für das Tastverhältnis angegeben wurde, hängt dieser Wert allgemein davon ab, daß sich die Drehzahl nicht stark ändert und man einen aus­ reichenden Verzögerungseffekt erzielt. Die Erfindung ist natürlich nicht auf die genannten 50% beschränkt, sondern man kann auch einen anderen Wert wählen, beispielsweise 60% oder 40%, was auch von der Kennlinie des Gleichstrom-Servomotors abhängt.
Als Positionsdetektor wird hier ein Potentiometer verwendet, welches einen einfachen Aufbau ermöglicht. Allerdings kann auch eine andere Positionsdetektoreinrichtung als ein Potentiometer verwendet werden, beispielsweise kann man einen optischen Codierer verwenden, bestehend aus einer kleinen Löcher (oder Schlitze) aufweisenden Drehplatte, wobei die Löcher oder Schlitze in vorbestimmten Intervallen in Umfangsrich­ tung angeordnet sind.

Claims (5)

1. Treibersteuerung für einen Servomotor (1), umfassend:
eine Stellungsdetektoreinrichtung (3) zum Erfassen der Drehstellung des Servomotors (1); und
eine Steuereinrichtung (4), die den Betrieb des Gleichstrom-Servo­ motors (1) umschaltet vom Gleichstrombetrieb auf PWM-Betrieb (Betrieb mit Pulsbreitenmodulation), wenn der von der Positions­ detektoreinrichtung (3) erfaßte Ist-Stellungswert in der Nähe eines Wertes liegt, der einer Anhalte-Soll-Stellung entspricht.
2. Treibersteuerung nach Anspruch 1, bei der mehrere Werte für das Tastverhältnis des PWM-Betriebs eingestellt sind und die Werte schrittweise von größeren in Richtung kleinere Werte umgeschaltet werden.
3. Treibersteuerung nach Anspruch 1, bei der die Werte für das Tast­ verhältnis des PWM-Betriebs kontinuierlich eingestellt sind und die Werte schrittweise von größeren auf kleinere Werte umgeschaltet werden.
4. Treibersteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Stellungsdetektoreinrichtung ein Potentiometer (3) ist.
5. Treibersteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Betrieb des Servomotors (1) vom Gleichstrombetrieb auf den PWM-Betrieb umgeschaltet wird, wenn der von der Stellungsde­ tektoreinrichtung (3) erfaßte Stellungswert in der Nähe eines Wertes liegt, der der Anhalte-Soll-Stellung entspricht, das Tastverhältnis des PWM-Betriebs sukzessive von kleineren Werten in Richtung höherer Werte erhöht wird, wenn sich keine Änderung in einem Rückkopplungssignal zeigt, welches angibt, in welchen Betriebszustand sich der Gleichstrom-Servomotor (1) befin­ det, und dann, wenn eine Änderung im Rückkopplungssignal stattfindet, der PWM-Betrieb weiter ablaufengelassen wird, während das Tast­ verhältnis des PWM-Betriebs zu dieser Zeit konstant gehalten wird.
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