DE2812292C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Stelleinrichtung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Solche Stelleinrichtungen werden in bekannten Ausführungsformen als reversierbare Elektromotoren ausgebildet mit einem nachgeschalteten Getriebe und einem Potentiometer zur Erfas­ sung des Verstellwinkels als Rückführgröße für einen Nachlaufver­ stärker, der die Betriebsspannung für den Elektromotor liefert. Eine solche Anordnung ist zwar vielfältig anwendbar, jedoch relativ teuer.

Durch den Aufsatz von U. Walosczyk: Methoden der Feinpositionierung von Schrittmotoren im Bereich eines Schritts, in Elektrie 28 (1974) Heft 4, Seiten 191 bis 193 ist bereits eine Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung an Stellgliedern bei Regel- oder Steuerein­ richtungen bekannt, die aus einem Schrittmotor mit einem feststehen­ den und mit einem drehbaren Teil besteht, von denen einer zur Erzeu­ gung von Magnetfeldern variabler Stärke und verschiedener Winkelaus­ richtung in bezug auf die Drehachse des Motors mit entsprechenden Wicklungen versehen ist, die von Gleichstrom mit entsprechend wenig­ stens einer Steuergröße steuerbarer Stromstärke beaufschlagbar sind, und von denen der andere Teil ein konstantes, den variablen Magnet­ feldern zugeordnetes Magnetfeld aufweisen kann. Dabei sind die Wick­ lungen durch getaktete, von einem Steuersignal geleitete Spannungs­ signale beaufschlagbar, deren Taktverhältnisse entsprechend der we­ nigstens einen Steuergröße variabel sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stelleinrichtung zu schaffen, die bei günstiger Herstellbarkeit eine große Variations­ breite an Möglichkeiten bietet, mehrere Steuergrößen gleichzeitig und multiplikativ bei der Verstellung des Stellgliedes zur Wirkung kommen zu lassen, wenn ein Stellglied angesteuert werden soll, das der Verstellung nur ein geringes Widerstandsmoment entgegenstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Hauptanspruchs gelöst. Durch die getaktete Ansteuerung wer­ den Haftreibungseinflüsse, die die einzustellende Drehwinkelstellung verfälschen könnten, bei mit Reibung beaufschlagten Konstruktionen des betätigten Stellglieds ausgeschaltet. Je nach verwendeter Fre­ quenz kann ferner eine optimierende Oszillation um den gewünschten Einstellpunkt erzielt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch gekennzeichneten Stelleinrichtung gegeben.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

In der Figur ist grob schematisch eine Brennkraftmaschine 1 wiedergegeben mit einem Ansaugsystem 3, das einen Gemisch­ erzeuger 4 zur Herstellung und Dosierung des Kraftstoff- Luftgemisches, das in der Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommt, aufweist und mit einem Abgassammelsystem 5. Dort ist eine Sauerstoffmeßsonde 7 bekannter Bauart eingesetzt, die der Erfassung des Sauerstoffgehalts in den Abgasen und der Erzeugung einer Steuergröße dient, nach der die Gemischzusam­ mensetzung geregelt werden kann. Dies geschieht über ein bekannte Regeleinrichtung 8, die der Sauerstoffmeßsonde nachgeschaltet ist. Diese Regeleinrichtung kann z. B. einen Integralregler haben, dessen Ausgangssignal einen sägezahn­ förmigen Verlauf hat mit Umkehrpunkten, die durch das Steuersignal der Lambda-Sonde bestimmt sind. Solche Regel­ einrichtungen, die mit Sauerstoffmeßsonden arbeiten, welche bei etwa Lambda 1 eine sprungartige Änderung der Ausgangs­ spannung aufweisen, sind mehrfach beschrieben worden und brauchen hier nicht näher erläutert werden. Der Ausgang der Regeleinrichtung 8 wird auf ein Potentiometer 9 ge­ führt, dessen verstellbarer Abgriff durch die Drehbewegung einer Drosselklappenwelle 11 betätigbar ist. Die Drosselklappenwelle 11 dient zur Verdrehung der Hauptdrosselklappe 12 im Ansaug­ system 3 der Brennkraftmaschine. Diese Hauptdrosselklappe ist meist ein Teil des Gemischerzeugers 4, der z. B. ein üblicher Vergaser sein kann, und dient der Gemischmengen­ steuerung. Das dazu interessierende Teilstück des Ansaug­ systems 3 wurde zur Verdeutlichung groß herausgezeichnet.

Der Abgriff des Potentiometers 9 führt zu einem Impuls­ längenmodulator 14, der z. B. einen die Abgriffsspannung mit einer Sägezahnspannung einstellbarer Frequenz verglei­ chenden Komparator enthält. Die am Ausgang des Impulslängen­ modulators auftretende Impulsfolge fester Frequenz und variabler Impulsbreite wird einerseits einer ersten Wicklung 16 eines Zwei-Phasen-Synchronmotors 17 zugeleitet. Andererseits ist der Ausgang des Impulslängenmodulators über einen Invertierer 19 mit der zweiten Wicklung 20 des Zwei-Phasen- Synchronmotors 17 verbunden. Beide Wicklungen liegen am anderen Ende an Masse.

Der Zwei-Phasen-Synchronmotor ist in der Zeichnung grob schematisch dargestellt. Er besteht aus einem Rotor 22, der permanent magnetisiert ist und einen Nord- und einen Südpol aufweist. Die erste Wicklung 16 und die zweite Wicklung 20 sind auf den Stator gewickelt und erzeugen bei gleicher Stromflußrichtung Magnetfelder, die um 90 Grad gegeneinander phasenverschoben sind. Dies wird durch die Lage der Wicklungen 16 und 20 angedeutet.

Der Rotor ist über eine Welle 23 mit einer Bypassdrossel­ klappe 24 verbunden, die in einer Bypassluftleitung 25 ange­ ordnet ist. Diese umgeht in bekannter Weise den Gemisch­ erzeuger 4 bzw. den Vergaser und die Hauptdrosselklappe 12.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Aus einem Steuersignal wird im Impulslängenmodulator eine Impulsfolge von konstanter Frequenz und je nach eingegebener Steuerspannung variabler Impulsbreite erzeugt. Diese Impuls­ folge wird einerseits direkt auf die erste Wicklung 16 und andererseits invertiert auf die zweite Wicklung 20 des Zwei-Phasen-Synchronmotors 17 gegeben. Dadurch entstehen um 90 Grad zueinander verdrehte Magnetfelder unterschied­ licher Intensität. Bei einem Taktverhältnis 0 oder 100% fließt entsprechend nur in einer der Wicklungen Strom, bei Zwischenwerten des Taktverhältnisses werden die Ströme auf die beiden Wicklungen komplementär zueinander verteilt. Dadurch ergibt sich ein resultierendes Magnetfeld, das Stellungen zwischen 90 und 0 Grad einnehmen kann. Ent­ sprechend dem resultierenden Magnetfeld wird dann der Rotor 22 in eine entsprechende Drehstellung gebracht. Man kann so bei geringen Widerstandsmomenten des zu verstellenden Stellglieds, in diesem Fall die Drosselklappe 24, in einfacher Weise eine Stelleinrichtung verwirklichen. Durch die getaktete Ansteuerung erhält man pulsierende Magnetfelder und dementsprechend eine getaktete Beauf­ schlagung des Rotors, der je nach Pulsfrequenz leichte Oszillationsbewegungen ausführen kann. Dies wirkt einer entstehenden Haftreibung entgegen, so daß ein daraus resultierendes höheres Bremsmoment vermieden wird.

Es ist ferner vorteilhaft, den Synchronmotor so zu gestalten, daß ein möglichst homogenes Feld für die Verstellung des Rotors vorliegt. Der Motor ist dazu in üblicher Weise z. B. mit spiralig verlaufenden Wickelnuten ausgestattet, wobei die Steigung der Wickelnuten dem Nutenabstand ent­ spricht.

Statt wie hier im Ausführungsbeispiel beschrieben, können die Wicklungen auch auf dem Rotor angeordnet sein und der Stator als Permament-Magnet ausgeführt sein. Es ist ferner möglich, anstelle eines Permanent-Magneten ebenfalls eine Wicklung zu verwenden, die von einem konstanten Gleichstrom durchflossen wird und somit ein konstantes Magnetfeld erzeugt.

Das in den Impulslängenmodulator eingegebene Steuerspannungs­ signal wird im ausgeführten Beispiel von der Regeleinrichtung 8 erzeugt und weist die Form einer Sägezahnspannung auf. Die Steigung der Sägezahnspannung bzw. die Zeitkonstante des diese Spannung erzeugenden Integrators kann in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine ge­ ändert werden. Dazu ist die Regeleinrichtung 8 mit einem Drehzahlgeber 27 verbunden. Solche Einrichtungen zur Bildung des Steuersignals sind bereits mehrfach beschrieben worden und brauchen hier nicht im Detail erläutert werden.

Durch die Stellung der Drosselklappe 12 wird die Menge des zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches unter der Berücksichtigung der vorherrschenden Drehzahl bestimmt. Dieses Gemisch wird üblicherweise z. B. mittels eines Vergasers im Gemisch­ erzeuger 4 gebildet, wobei die Dosierung der Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Luftmenge erfolgt. Um beim Betrieb der Brennkraftmaschine eine möglichst schadstofffreies Abgas zu erhalten, kann das Abgas mt Hilfe einer Sauerstoffmeß­ sonde 7 auf seine Zusammensetzung überprüft werden und dem bzgl. der Zusammensetzung vorgesteuerten Kraftstoff- Luftgemisch über die Bypassleitung 25 mehr oder weniger Luft beigemischt werden, so daß ein Betriebsgemisch erzielt wird, das die gewünschte Abgaszusammensetzung ergibt.

Zur möglichst schnellen Regelung in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine sind ferner bekannte Maßnahmen anwendbar, bei denen bei der Bildung des dem Impulslängenmodulators 14 zugeführten Steuersignals die Stellung der Drosselklappe durch eine Vorsteuerung berücksichtigt wird und die Ausgangssteuergröße der Regeleinrichtung 8 dem überlagert wird.

Die Einrichtung ist jedoch auch zu anderen Steuerzwecken verwendbar. Statt des Luftbypasses kann auch ein Kraftstoff/ Luftgemisch-Bypass verwendet werden und damit die Drehzahl insgesamt oder in ausgewählten Betriebsbereichen geregelt werden. Auch eine Dosierung anderer Betriebsstoffe, die an der Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine teilnehmen, wie z. B. Kraftstoff, ein besonderer Zusatz­ kraftstoff oder Inertgas, ist mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung möglich. Statt der hier beschriebenen Beauf­ schlagung der Wicklungen des Synchronmotors mit pulsierenden Strömen können bei entsprechender anderer Ausgestaltung auch konstante Ströme variabler Stromstärke durch die Spulen geschickt werden, wobei die Stromstärken in den beiden Spulen zueinander komplementär sind, d. h. wenn der Strom in der einen Wicklung sein Maximum erreicht hat, fließt in der anderen Wicklung der minimale Strom und umgekehrt. Zur Berücksichtigung noch anderer Betriebsparameter können diese Ströme zusätzlich modifiziert werden.

Claims (7)

1. Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern bei Re­ gel- oder Steuereinrichtungen, die aus einem Zwei-Phasen-Synchron­ motor mit einem feststehenden und mit einem drehbaren Teil besteht, von denen einer zur Erzeugung von zwei Magnetfeldern variabler Stär­ ke und verschiedener Winkelausrichtung in bezug auf die Drehachse des Motors mit zwei Wicklungen versehen ist, die von Gleichstrom mit entsprechend wenigstens einer Steuergröße steuerbarer Stromstärke beaufschlagbar sind und von denen der andere Teil ein konstantes, den variablen Magnetfeldern zugeordnetes Magnetfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16, 20) durch getaktete, von ei­ nem Steuersignal abgeleitete Spannungssignale beaufschlagbar sind, deren Taktverhältnis entsprechend der wenigstens einen Steuergröße variabel ist, wobei an die eine Wicklung ein erstes Spannungssignal und gleichzeitig an die andere Wicklung ein zweites, durch Invertie­ rung aus dem ersten Spannungssignal gewonnenes, komplementäres Span­ nungssignal legbar ist.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den beiden Wicklungen (16, 20) dem gewünschten Ver­ drehbereich der Stelleinrichtung entspricht.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16, 20) so in spiralig verlaufenden Wickelnuten, deren Steigung dem Nutenabstand entspricht, gelegt sind, daß jeweils ein möglichst homogenes Magnetfeld zwischen drehbarem und feststehendem Teil des Synchronmotors erzielt wird.

4. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem drehbaren Teil (22) des Synchronmotors (17) ein Drosselorgan (24) in wenigstens einer der Leitungen verbun­ den ist, die in einer Brennkraftmaschine die zur Verbrennung gelan­ genden Betriebsstoffe im Bypass zum Betriebsgemischerzeuger (4) füh­ ren.

5. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Wicklungen ein Impulslängen­ modulator (14) vorgesehen ist.

6. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße über einen verstellbaren Wider­ stand (9) abgreifbar ist und der Widerstand in Abhängigkeit von ei­ ner zweiten Steuergröße verstellbar ist.

7. Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Steuergröße die Drehstellung der Hauptdrosselklappe im Saug­ rohr einer Brennkraftmaschine dient.