DE19651062C2 - System zur Regelung der Position eines Motors gegen eine Rückstellkraft - Google Patents

System zur Regelung der Position eines Motors gegen eine Rückstellkraft

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Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Position eines Motors gegen eine Rückstellkraft mit einem Regeldifferenzbildner, welcher den Sollwert und den Istwert einer von der Position des Motors abhängigen Regelgröße vergleicht und die Regeldifferenz einem Regler zuführt, welcher ein pulsweitenmoduliertes digitales Signal erzeugt, dessen Tastverhältnis vom Wert der Regeldifferenz abhängt, und der ein digitales Richtungssignal erzeugt, welches vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt, und der diese Signale einer Ansteuerschaltung zuführt, welche eine aus vier elektronischen Lastschaltern bestehende Brückenschaltung zur Ansteuerung des Motors sowie eine Ansteuerlogik zur Umsetzung des pulsweitenmodulierten Signales und des Richtungssignales in Ansteuersignale für die Lastschalter aufweist.
In dem Prospekt "Power IC Application Notes" der Firma International Rectifier ist in dem Artikel "Introducing the IR8200 DMOS H-Bridge Power IC" von A. Dubhashi, B. Pelly und S. Young ein Regelsystem beschrieben (siehe insbesondere Seite 14, Fig. 20), bei dem das Drehmoment eines Motors mittels eines pulsweitenmodulierten Signales und eines Richtungssignales geregelt wird.
Das dargestellte Regelsystem ist einem System zur Regelung der Position eines Motors gemäß des Oberbegriffs des Hauptanspruches 1 unmittelbar vergleichbar, da zur Einstellung und Einhaltung einer dem Motor vorgegebenen Position gegen eine Rückstellkraft faktisch ebenfalls dessen Drehmoment auf einen festen Wert eingeregelt wird.
Bei dem Regelsystem nach dem Stand der Technik wird das Richtungssignal durch einen Komparator erzeugt, der für die beiden Drehrichtungen des Motors einander entgegengesetzte logische Ausgangssignale erzeugt.
Nachteilig an einem solchen vorbekannten Regelsystem ist, daß es sich nicht fehlertolerant gegenüber dem nachfolgend beschriebenen Fehlerfall verhält. Kommt es durch Verschmutzung, Kondensat, defekte Bauteile o. ä. zu einer Verbindung des PWM-Einganges der Ansteuerschaltung mit einer positiven Versorgungsspannung, so liegt an diesem Eingang damit ein Signal an, welches einem hundertprozentig pulsweitenmodulierten Signal entspricht. Hierdurch steuert die Ansteuerschaltung den Motor mit der größtmöglichen Leistung an. Da aber das pulsweitenmodulierte Signal des Reglers nun nicht mehr an der Ansteuerschaltung anliegt, besteht die einzige Beeinflussungsmöglichkeit der Motorposition nur über das Richtungssignal, welches nun ständig umschaltet, wenn der Motor über seine Sollposition hinausläuft, so daß es zu starken Regelschwingungen um die Sollposition herum kommt. Damit ist eine brauchbare Regelung der Motorposition nicht mehr gegeben. Je nach Art des geregelten Systems können sich diese Regelschwingungen sogar sicherheitskritisch auswirken.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Regelsystem zu schaffen, welches sich auch gegenüber diesem Fehlerfall fehlertolerant verhält und darüber hinaus sogar ein Weiterregeln der Motorposition ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß, ausgehend von einem statischen Richtungssignal, welches für eine vorgegebene Drehrichtung des Motors den logischen Wert "0" hat und für die entgegengesetzte Drehrichtung den logischen Wert "1" aufweist, der Regler an die Ansteuerschaltung ein dynamisches Richtungssignal gibt, welches der Regler nach folgender Vorschrift bildet:
  • a) Hat das pulsweitenmodulierte Signal den logischen Wert "0", so ist der logische Wert des dynamischen Richtungssignales ebenfalls "0".
  • b) Ist der logische Wert des pulsweitenmodulierten Signales "1", so ist der Wert des dynamischen Richtungssignales gleich dem logischen Wert des statischen Richtungssignales.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelsystems soll im folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 den schematischen Aufbau des Regelsystems,
Fig. 2 den Aufbau der Ansteuerschaltung,
Fig. 3 ein Impulsdiagramm eines Regelsystems nach dem Stand der Technik,
Fig. 4 ein Impulsdiagramm eines erfindungsgemäßen Regelsystems,
Fig. 5 den Impulsverlauf des Richtungssignales, und zwar erstens ohne Fehler des pulsweitenmodulierten Signales und zweitens bei einem Fehler des pulsweitenmodulierten Signales.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Systems zur Regelung der Position eines Motors 5 in seiner Gesamtheit. Es sei beispielhaft angenommen, daß der Motor 5 zur Betätigung einer nicht dargestellten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, welche durch eine, ebenfalls nicht dargestellte, Rückstellfeder mit einer positionsabhängigen Rückstellkraft beaufschlagt wird.
Zur Einstellung einer vorgegebenen Drosselklappenposition muß daher der Motor 5 ein entsprechendes Drehmoment erzeugen. Hierzu wird der Motor 5 durch ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM getaktet angesteuert, wobei das zu erzeugende Drehmoment dem Motor 5 durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales PWM vorgegeben wird.
Um eine Regelung der Motorposition zu ermöglichen, ist ein Positionssensor 6, ausgeführt zum Beispiel als Potentiometer, mit der Welle des Motors 5 oder einem anderen durch den Motor 5 beweglichen Element verbunden. Der Positionssensor 6 liefert ein dem Istwert der Motorposition entsprechendes Signal an den Regeldifferenzbildner 1. Der Regeldifferenzbildner 1 vergleicht den Istwert des Regelsignals mit dem von einem Sollwertgeber 7 (ausgeführt zum Beispiel durch ein Motorsteuergerät oder, im einfachsten Fall, durch einen Fahrpedalgeber) vorgebenen Sollwert und führt die Differenz zwischen Sollwert und Istwert als Regeldifferenz dem Regler 2 zu.
Der Regler 2 generiert aus der Regeldifferenz zwei digitale Signale: das pulsweitenmodulierte Signal PWM, dessen Tastverhältnis das vom Motor 5 abzugebende Drehmoment bestimmt, und das Richtungssignal DIR, welches die Drehrichtung des Motors 5 vorgibt. Das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales PWM bildet der Regler 2 dabei aufgrund des Wertes der Regeldifferenz, während das Richtungssignal DIR durch das Vorzeichen der Regeldifferenz bestimmt wird.
Beide digitalen Signale DIR, PWM werden der Ansteuerschaltung 4 zugeführt, welche aufgrund dieser Signale die Ansteuerung des Motors 5 vornimmt. Weiterhin sind in der Fig. 1 die positiven Versorgungsspannungen +UR, +UA des Reglers 2 und der Ansteuerschaltung 4 dargestellt, sowie ein Umschalter 3, welcher den Eingang der Ansteuerschaltung 4 für das pulsweitenmodulierte Signal PWM in der Schaltstellung A mit dem entsprechenden Ausgang des Reglers 2 verbindet und in der Schaltstellung B den Eingang der Ansteuerschaltung mit einer der Versorgungsspannungen +UR, +UA verbindet.
Es sei hervorgehoben, daß der Umschalter 3 kein originäres Bauteil des Regelsystems darstellt, sondern lediglich zur deutlicheren Darstellung eines möglichen Fehlers im Regelsystem in die Fig. 1 aufgenommen ist.
Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise des in der Fig. 1 dargestellten Regelsystems wird nachfolgend anhand der Fig. 2 der Aufbau der Ansteuerschaltung 4 näher erläutert.
Die Ansteuerschaltung 4 weist eine Brückenschaltung, bestehend aus vier Lastschaltern S1, S2, S3, S4, auf, welche die Anschlüsse des Motors 5 wechselweise an die Pole +UA bzw. Masse anschaltet. Die hier durch einfache Schalter symbolisierten Lastschalter S1, S2, S3, S4 sind in der Realität als elektronische Lastschalter, und zwar vorzugsweise als MOS-Leistungstransistoren, ausgeführt.
Die Ansteuerung der Lastschalter S1, S2, S3, S4 erfolgt durch eine Ansteuerlogik AL, und zwar in Abhängigkeit des pulsweitenmodulierten Signales PWM und des Richtungssignales DIR.
So führt die Ansteuerschaltung 4 bei dem anliegenden Richtungssignal DIR = 0 über die Ansteuerung der Lastschalter S1 und S3 aus, was den Linkslauf des Motors 5 bewirkt. Entsprechend führt die Ansteuerschaltung 4 beim Richtungssignal DIR = 1 die Ansteuerung der Lastschalter S2 und S4 aus, was den Motor 5 in den Rechtslauf steuert. Das pulsweitenmodulierte Signal PWM bewirkt darüber hinaus, daß die Ansteuerlogik AL die Lastschalter S1, S2, S3, S4 getaktet ansteuert.
Den logischen Zusammenhang zwischen den Eingangssignalen PWM, DIR der Ansteuerlogik AL und den von der Ansteuerlogik AL erzeugten Ansteuersignalen für die Lastschalter S1, S2, S3, S4 zeigt die Fig. 3.
Beispielhaft wird hier ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM mit einem Tastverhältnis von 25% angenommen, das heißt, der anzusteuernde Motor ist während 1/4 der Zeit eingeschaltet und während 3/4 der Zeit ausgeschaltet.
Weiter sei angenommen, daß das Richtungssignal DIR während der ersten beiden Taktzyklen des pulsweitenmodulierten Signales PWM low DIR = 0 sei und so der Ansteuerlogik eine Ansteuerung des Motors zum Linkslauf vorgibt und daß während der nächsten drei Taktzyklen des pulsweitenmodulierten Signales PWM das Richtungssignal den logischen Wert high DIR = 1 aufweise, so daß während dieser Ansteuerphase der Motor in den Rechtslauf gesteuert wird.
Weiterhin sei im folgenden angenommen, daß ein high-Signal zur Ansteuerung eines Lastschalters S1, S2, S3, S4 diesen einschaltet und ein low-Signal den entsprechenden Lastschalter S1, S2, S3, S4 abschaltet.
Wie erkennbar ist, ist während der Linkslaufphase der Lastschalter S3 ständig eingeschaltet, während der Schaftzustand des Lastschalters S1 dem pulsweitenmodulierten Signal PWM folgt, wodurch eine getaktete Ansteuerung des Motors 5 mit 25% Einschaltzeit erreicht wird. Erwähnenswert ist, daß während der Ausschaltphasen des Lastschalters S1 jeweils der Lastschalter S4 eingeschaltet ist. Damit wird während der Taktpausen des pulsweitenmodulierten Signales PWM der Motor über die Lastschalter S3 und S4 kurzgeschlossen und so ein unerwünschtes Nachlaufen des Motors verhindert.
Die Lastschalteransteuerung in der Rechtslaufphase erfolgt entsprechend durch ein andauerndes Einschalten des Lastschalters S4 und ein getaktetes Einschalten des Lastschalters S3, wobei zudem durch ein Einschalten des Lastschalters S3 in den Taktpausen des pulsweitenmodulierten Signales PWM das Abbremsen des Motors erreicht wird.
Bei bekannten Regelsystemen ist das Richtungssignal DIR einfach ein logisches Signal mit jeweils einem vorgegebenen Logikpegel für jede Drehrichtung des Motors. Es kann daher für eine festgelegte Drehrichtung als statisches Richtungssignal bezeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Regelsystem zeichnet sich dagegen durch ein davon abweichend gebildetes "dynamisches" Richtungssignal DIR_dyn aus, welches in der Fig. 4 dargestellt ist.
Dieses dynamische Richtungssignal DIR_dyn wird durch den Regler nach folgender Vorschrift gebildet:
  • a) DIR_dyn = 0, wenn PWM = 0;
  • b) DIR_dyn = DIR (entsprechend dem statischen Richtungssignal in der Fig. 3), wenn PWM = 1
Den hieraus resultierenden Verlauf für das dynamische Richtungssignal DIR_dyn für das gleiche Regelbeispiel wie in der Fig. 3 zeigt die Fig. 4.
Das dynamische Richtungssignal DIR_dyn ist konstant low im Falle der Linkslaufansteuerung und folgt bei Rechtslaufansteuerung dem pulsweitenmodulierten Signal PWM. Gibt man das dynamische Richtungssignal DIR_dyn der Rechtslaufphase an die Ansteuerschaltung, so erwartet man zunächst ein ständiges Umschalten zwischen Linkslauf und Rechtslauf des Motors. Da aber genau zu den Zeiten, wo das dynamische Richtungssignal DIR_dyn in der Rechtslaufphase auf low liegt, und damit eigentlich eine Linkslaufansteuerung des Motors zu erwarten wäre, auch das pulsweitenmodulierte Signal PWM auf low liegt, und damit überhaupt keine Motoransteuerung erfolgt, ist der Ansteuersignalverlauf an den Lastschaltern S1, S2, S3, S4 exakt identisch zu dem in der Fig. 3.
Im Normalfall ergibt sich daher kein Unterschied zwischen der Beaufschlagung der Ansteuerlogik mit einem statischen Richtungssignal DIR wie in der Fig. 3 oder mit einem dynamischen Richtungssignal wie in der Fig. 4.
Der besondere Vorteil des bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem verwendeten dynamischen Richtungssignales DIR_dyn erweist sich dagegen im Fehlerfall. Zur Erläuterung sei nochmals auf die Fig. 1 verwiesen. Der Fehlerfall ist beispielhaft durch ein Umschalten des Umschalters 3 in die Schaltstellung B simuliert. In der Realität ist hierbei weniger an einen Schalter als an Leiterbahnunterbrechungen, Zerstörung des Ausgangs für das pulsweitenmodulierte Signal des Reglers 2 durch Überlast, Störungen durch elektrostatische Entladungen oder elektromagnetische Einstrahlungen, Verschmutzungen und Lötperlen auf der Platine o. ä. zu denken. Überbrückungen können zur Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung +UA oder auch zu der Versorgungsspannung +UR des Reglers 2 auftreten. Der Fehlerfall ist des weiteren beispielhaft für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung mit high-duty angegeben. Bei low-duty sind entsprechend Überbrückungen nach Masse kritisch.
Tritt der Fehlerfall ein, so ist der Regelkreis teilweise unterbrochen. Das vom Regler 2 abgegebene pulsweitenmodulierte Signal PWM erreicht die Ansteuerschaltung 4 nicht. Statt dessen erhält die Ansteuerschaltung 4 die Fehlinformation, daß ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis von 100% anliegt. Dadurch erhält der Motor 5 keine getaktete Ansteuerung mehr, sondern eine Vollzeitansteuerung.
Da die Positionsregelung des Motors 5 nur noch über das Richtungssignal erfolgt, wird bei einem statischen Richtungssignal DIR der Motor 5 nun mit voller Kraft in Richtung auf den Sollwert gesteuert. Durch die ungetaktete Ansteuerung des Motors 5 wird hierbei allerdings viel zu viel Energie in das System gebracht, die Motorposition schießt über ihren Sollwert hinaus und wird im nächsten Moment, und zwar ebenfalls mit voller Kraft, in die Gegenrichtung gesteuert. Das Ergebnis ist eine stark schwingende Regelung, die eine brauchbare Motorpositionierung nicht erlaubt. Im Extremfall kann es hierbei durch das Auflaufen des Motors gegen mechanische Endanschläge sogar zu mechanischen Zerstörungen kommen.
Das erfindungsgemäße Regelsystem mit einem dynamischen Richtungssignal verhält sich in einem solchen Fehlerfall hingegen fehlertolerant. Die Sollposition des Motors 5 regelt sich nun allein über das Richtungssignal DIR_dyn ein, dessen Tastverhältnis durch den Regler 2 so eingestellt wird, daß die Sollposition des Motors 5 erhalten bleibt (wobei anzumerken ist, daß der Regler 2 "eigentlich" das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales PWM ändert, und zwar deutlich, so daß es zu einem Sprung im Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales PWM kommt). Da das pulsweitenmodulierte Signal aber nicht mehr am Eingang der Ansteuerschaltung 4 ankommt und zudem das dynamische Richtungssignal DIR_dyn, wie oben beschrieben, an das pulsweitenmodulierte Signal gekoppelt ist, erfolgt die Regelung nun tatsächlich allein über das dynamische Richtungssignal DIR_dyn.
Das System ist somit nach sehr kurzer Zeit weiterhin in der Lage zu regeln. Versuche haben gezeigt, daß nahezu kein Verlust in der Regelgüte für diesen Fehlerfall zu erkennen ist. Die Regelung arbeitet im skizzierten Fehlerfall wie folgt:
Das Vorzeichen der Motoransteuerung wird mit der Frequenz des pulsweitenmodulierten Signales PWM umgepolt. Die Schalter S1, S3 und S2, S4 sind im Wechsel geschaltet. Bei einer Pulsweitenmodulation des Richtungssignales DIR_dyn von 50% ist die mittlere Spannung am Motor 5 gleich Null. Bei 51% Pulsweitenmodulation überwiegt die Rechtslaufrichtung, bei 49% Pulsweitenmodulation die Linkslaufrichtung des Motors. Die Sollposition des Motors 5 kann so durch Regelung der Pulsweitenmodulation des Richtungssignales DIR_dyn gehalten werden.
Die Fig. 5 verdeutlicht dieses an einem Beispiel. Angenommen, der Motor benötigt bei einem Regelsystem "ohne Fehler" 25% Bestromung in Rechtsrichtung, um seine Position entgegen der Federkraft zu halten. Dieses entspricht dem Impulsdiagramm der Fig. 4 in der Rechtslaufphase.
Das Richtungssignal DIR_dyn "ohne PWM-Fehler" ist in der Fig. 5 nochmals dargestellt, es entspricht, wie bereits erläutert, dem pulsweitenmodulierten Signal PWM. Steigt das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales an der Ansteuerschaltung nun im Fehlerfall (gestrichelt dargestellt) auf 100% an, so reagiert die Regelung mit der Einstellung des in der unteren Zeile dargestellten dynamischen Richtungssignales DIR_dyn. Deren Tastverhältnis kann berechnet werden, mit
tL: zeitlicher Anteil für Linkslauf,
tR: zeitlicher Anteil für Rechtslauf,
durch die Bedingungen:
Überschuß Rechtslauf: tR - tL = 25% und
Ansteuerung insgesamt tR + tL = 100%
zu tR = 62,5% und tL = 37,5%.
Das heißt, das Tastverhältnis beträgt 62,5%. Vorteilhafterweise regelt sich bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem dieses Tastverhältnis im Fehlerfall vollautomatisch ein.
Bezugszeichenliste System zur Regelung der Position eines Motors
1
Regeldifferenzbildner
2
Regler
3
Umschalter
4
Ansteuerschaltung
5
Motor
6
Positionssensor
7
Sollwertgeber
A, B Schaltstellungen (des Umschalters
3
)
AL Ansteuerlogik
DIR Richtungssignal
DIR_dyn dynamisches Richtungssignal
PWM pulsweitenmoduliertes Signal
S1, S2, S3, S4 Lastschalter
+UA positive Versorgungsspannung (der Ansteuerschaltung)
+UR positive Versorgungsspannung (des Reglers)

Claims (2)

1. System zur Regelung der Position eines Motors gegen eine Rückstellkraft mit einem Regeldifferenzbildner (1), welcher den Sollwert und den Istwert einer von der Position des Motors (5) abhängigen Regelgröße vergleicht und die Regeldifferenz einem Regler (2) zuführt, welcher ein pulsweitenmoduliertes digitales Signal PWM erzeugt, dessen Tastverhältnis vom Wert der Regeldifferenz abhängt, und der ein digitales Richtungssignal DIR erzeugt, welches vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt, und der diese Signale (PWM, DIR) einer Ansteuerschaltung (4) zuführt, welche eine aus vier elektronischen Lastschaltern (S1, S2, S3, S4) bestehende Brückenschaltung zur Ansteuerung des Motors (5) sowie eine Ansteuerlogik (AL) zur Umsetzung des pulsweitenmodulierten Signales PWM und des Richtungssignales DIR in Ansteuersignale für die Lastschalter (S1, S2, S3, S4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem statischen Richtungssignal DIR, welches für eine vorgegebene Drehrichtung des Motors (5) den logischen Wert "0" hat und für die entgegengesetzte Drehrichtung den logischen Wert "1" aufweist, der Regler (2) an die Ansteuerschaltung (4) ein dynamisches Richtungssignal (DIR_dyn) gibt, welches der Regler (2) nach folgender Vorschrift bildet:
  • a) Hat das pulsweitenmodulierte Signal PWM den logischen Wert "0", so ist der logische Wert des dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn) ebenfalls "0".
  • b) Ist der logische Wert des pulsweitenmodulierten Signales PWM "1", so ist der Wert des dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn) gleich dem logischen Wert des statischen Richtungssignales DIR.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) die Drosselklappe der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug betätigt.
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