DE3407097A1

DE3407097A1 - Stelleinrichtung zur drehwinkeleinrichtung eines stellgliedes

Info

Publication number: DE3407097A1
Application number: DE19843407097
Authority: DE
Inventors: Adolf 4040 Neuss Freytag; Wolfgang 5276 Wiehl Misch
Original assignee: Pierburg GmbH; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH; Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3407097C2

Description

Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines
Stellgliedes Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines Stellgliedes nach der Gattung des Hauptanspruches.
Aus der DE-OS 28 12 292 ist bereits eine Stelleinrichtung zur genauen Drehwinkeleinstellung von Stellgliedern bekannt, die aus einem feststehenden und einem drehbaren Teil besteht, von denen einer zur Erzeugung von zwei Magnet feldern variabler Stärke und verschiedener Winkelausrichtung in bezug auf die Drehachse des Motors mit zwei Wicklungen versehen ist, die von Gleichstrom mit entsprechend wenigstens einer Steuergroße steuerbaren Stromstärke beaufschlagbar sind, und von denen der andere Teil ein konstantes, den variablen Magnetfeldern zugeordnetes Magnetfeld aufweist. Dabei entspricht der Drehwinkel des Stellglledes der Stärke der beiden Magnetfelder, die abwechselnd getaktet entsprechend einer Steuergröße variabel sind. Zur Taktung ist dafür ein Impulslängenmodulator vorgesehen.
Ein Problem einer solchen Stelleinrichtung ist es, daß ein gewünschter Drehwinkel zwar angesteuert werden kann, aber keine Aussage darüber möglich ist, ob sich dieser gewünschte Drehwinkel tatsächlich einstellt.
So ist bei Verklemmung des Stellgliedes keine Aussage möglich, ob ein solcher Fehlerfall vorliegt. Bei einem Lastdrehmoment auf das Stellglied stellt sich ein Winkel ein, der einem Gleichgewicht zwischen Drehmoment des Stellgliedes und dem Lastdrehmoment entspricht, also nicht den gewünschten Drehwinkel einstellt. Nicht linearitäten der Winkeleinstellung, die durch Wicklungsform bzw. Temperatureffekte erwirkt werden können, werden so nicht ausgeglichen.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines Stellgliedes hat demgegenüber den Vorteil, daß durch den Einbau mindestens eines Sensors der statisch oder induktiv auf die variablen Magnetfelder reagiert, eine Aussage möglich ist, ob das Stellglied auf die Ansteuerung reagiert. Dazu ist keine fine derung des bislang benutzten Ansteuerprinzips nötig, also insbesondere kein zusätzlicher Oszillator. Dte Rotorbauform, sowie die Baugröße des Stellgliedes bleibt unverändert. Statische Sensoren sind etwa Feldplatten oder Hallsensoren, dynamische oder induktive Sensoren können als einfache Sensorspulen ausgebildet sein. m Stator, in den der Sensor eingebaut ist, ist der Sensor einfach anzubringen. Es ist kein zusätzlicher Eardware-Aufwand nötig. Durch das Ausgangssignal des Sensors lassen sich Temperatureinflüsse und Nichtlinearitäten kompensieren.
Bei einem induktiven Sensor benötigt die Sensorspule keine Betriebsspannung. Die Spannungsausbeute der Sensorspule ist durch die Wicklungsanzahl einfach wählbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung möglich. Es ist möglich, daß das Ausgangssignal des Sensors zur Messung des eingestellten Drehwinkels herangezogen wird. Diese Messung ermöglicht es, innerhalb einer Regelung das Stellglied so anzusteuern, daß sich im Regelbereich lastunabhängig ein konstanter Drehwinkel einregelt. Bei Ansteuerung durch einen Pulsdauermodulator läßt sich diese Regelung in einfacher Weise durch Veränderung der Pulsdauer in Abhängigkeit des Ausgangssignales des Sensors einrichten.
Bei einem induktiven Sensor wird durch eine getaktete Stromquelle, die in Abhängigkeit der Pulsfrequenz des Pulsdauermodulators eingeschaltet ist, die Schaltfrequenz des Schaltreglers, der einem Zweipunktregler entspricht, einfach zur elektromagnetischen Induktion auf die Sensorspule benutzt. De Verwendung eines analogen Stromreglers ermöglicht es, die Zweipunktregelung zu linearisieren, sowie die Freilaufdiode der Induktivität des Stellgliedes einzusparen. Durch Spitzendetektion des Ausgangssignales der SensQrspule wird der Einfluß der Pulsfrequenz des Pulsdauermodulators auf diese Regelung ausgeschaltet. Ebenfalls ist es dadurch möglich, durch Abtastung des Spitzendetektors, sowie durch Einbeziehung des Pulsdauermodulators in einen Mikrocomputer eine numerische Ansteuerung und Regelung des Stellgliedes durchzuführen, was insbesondere vorteilhaft beim Einsatz eines solchen Stellgliedes in einem Kraftfahrzeug ist, beispielsweise zum Antrieb der Drosselklappe.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Schaltungsanordnung in Blocksymbolen, sowie Figur 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 ist eine Eingangsklemme 1 mit dem Eingang 21 eines Pulsdauermodulators 2 verbunden, dessen Ausgang auf den Eingang 31 eines Schaltreglers 3 führt.
Der Schaltregler 3 steuert eine Stromquelle 4 an, deren Stromausgang mit dem Plusanschluß einer Stellwicklung 6 eines weiter nicht näher dargestellten Stellgliedes, sowie mit der Kathode einer Freilaufdiode 8 verbunden ist. Ein Widerstand 9 liegt zwischen dem Minus-Anschluß der Stellwicklung 6 und der Anode der Diode 8. Das konstante Magnetfeld eines Dauermagneten 5 wirkt auf die Stellwicklung 6, sowie auf eine Sensorwicklung 7. Der Minus-Anschluß der Stellwicklung 6 ist an einen Stromeingang 32 des Schaltreglers 3 geschlossen. Beide Anschlüsse der Sensorwicklung 7 sind mit einem Spitzendetektor 10 verbunden, dessen Ausgang auf einen Steuereingang 22 des Pulsdauermodulators 2 führt.
An der Eingangsklemme l liegt eine Spannung an, die proportional zu einem einzustellenden Winkel ocj ist.
Der Pulsdauermodulator 2 erkennt an seinem Eingang 21 diese Spannung und bildet unter Berücksichtigung der Spannung am Steuereingang 22 eine Pulsfolge mit der Pulsfrequenz 1[Tp = 100 Hz mit variabler Pulsdauer (Figur 2, Zeile 1). Diese Pulsfolge wirkt auf den Schaltregler 3 und die Stromquelle 4. Der Schaltregler 3 regelt den Strom der Stromquelle 4 nach der Art eines Zweipunktreglers, in dem der Strom über die Last in den Stromeingang 32 des Schaltreglers 3 hineinfließt und von ihm gemessen wird. Figur 2, Zeile 2 zeigt dazu den Verlauf des Stromes I durch die Stellwicklung 6, dessen Zeitkonstante durch die Induktivität der Stellwicklung 6 und die Größe des Widerstandes 9 festgelegt ist. Während der stromführenden Phase regelt der Schaltregler 3 mit einer Regelfrequenz 1/TR=10 kHz.
Der Wechselstromanteil des Stromes I durch die Stellwicklund 6 resultiert somit aus der Zweipunktstromregelung des Schaltreglers 3'und aus der Tastung des Pulsdauermodulators 2. Der Gleichstromanteil des Stromes I durch die Stellwicklung 6 bewirkt das Drehmoment des Rotors des Stellgliedes, da das Magnetfeld der Stellwicklung 6 sich mit dem Magnetfeld des am Stator des Stellgliedes befestigten Dauermagneten 5 überlagert.
In der Sensorwicklung 7 wird eine Spannung Us induziert, wie sie in Figur 2, Zeile 3 dargestellt ist. Die induzierte Spannung U5 ist in bekannter Weise eine Funktion des Kosinus des Drehwinkels oC , der ersten Ableitung des Stromes I, sowie der Zeitkonstanten der Stellwicklung 6 und der Temperatur. Die Sensorwicklung 7 ist an den Spitzendetektor 10 angeschlossen, in dessen Eingangs kreis eine nicht näher dargestellte Temperturkompensation durchgeführt wird. Somit ist die induzierte Spannung U5 in erster Näherung eine Funktion des Kosinus des Drehwinkels N des Rotors des Stellgliedes, an dem die Stellwicklung 6 befestigt ist. Der Spitzendetektor 10 liefert somit an seinem Ausgang eine Spannung an den Steuereingang 22 des Pulsdauermodulators 2, diese proportional ist zum Kosinus des Stellwinkels cc des Rotors.
Ist der effektive Stellwinkel OC des Rotors ungleich dem Sollwert CtS an der Eingangsklemme J, so wird durch den Pulsdauermodulator 2 der Tastgrad der Puls folge dahingehend verändert, bis Sollwert und Istwert des Stellwinkels des Rotors gleich sind. Somit ist eine genaue Regelung des Stellwinkels des Rotors erreicht.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht nur auf das hier gewählte Ausführungsbeispiel beschränkt . Außer dem hier beschriebenen Anbringen einer Sensorspule an einem Einwicklungs-Drehwinkelsteller kann selbstverständlich eine solche Sensorspule auch an einem Zweiwicklungs-Drehwinkelsteller angebracht werden. Das gleiche Verfahren läßt sich aus zur Messung von Winkelauslenkungen bzw. zur Betriebsüberwachung von Stellmotoren messen, bei denen im Gegensatz zum Einwicklungs-Drehwinkelsteller die Induktivität des Stellmotors eine Funktion des Drehwinkels (z.B. Reluktanzmotor) ist. Dabei kann auf die Sensorspule verzichtet werden, weil man dann diese Selbstinduktionsspannung der Induktivität als Hilfsgröße für den Winkel wählen kann. Die Verfälschung des Meßwertes infolge thermisch bedingter Änderung der Zeitkonstanten kann eleminiert werden, wenn sich der Strom im Regelbereich zeitlineal ändert, was dadurch erreicht werden kann, das statt eines Schaltreglers ein analoger Stromregler verwendet wird. Durch die Regelung des Stromes auf zeitlineare Änderungen entfallen Freilaufdiode 8 und Widerstand 9.
Ebenfalls ist es möglich, daß die Ausgangs spannung des Spitzendetektors 10 auf einen AnaloglDigital-Wandler gegeben wird, dessen Ausgangszahl für einen Mikrorechner zur Verfügung steht. Ebenfalls kann der Pulsdauermodulator 2 in diesem Mikrorechner realisiert weden. Somit ergibt sich eine numerische Steuerung bzw. Regelung des Stellgliedes durch einen Mikrorechner, was insbesondere Anwendung beim Antrieb von Drosselklappen in einem Kraftfahrzeug finden kann.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das hier gewählte Ausführungsbeispiel beschränkt. Während der Drehwinkeleinstellung des Rotors wird durch einen dynamischen Anteil die Ausgangsspannung eines induktiv wirkenden Sensors leicht verfälscht, was für viele Anwendungen jedoch unkritisch ist, so daß der Kostanvorteil einer einfachen Sensorspule bei weitem überwiegt. Darüber hinaus liegt es im Können des Durchschnittsfachmannes, diese dynamischen Effekte durch einen Regler bzw. durch einen Regelalgorithmus in einem Rechner zu kompensieren.
Wenn statt des induktiven ein statisch wirkender Sensor, wie Feldplatte oder Hallsensor, verwendet wird, können auch erhöhte Anforderungen an.die Dynamik abgedeckt werden. Die Baugröße der Sensoren ist dabei jeweils in etwa gleich. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt dabei in gleicher Weise wie beim induktiv wirkenden Sensor.

Claims

Ansprüche stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines y tellgliedes mit einem feststehenden und einem drehbaren Teil, von denen der eine Teil zur Erzeugung von Magnetfeldern variabler Stärke und Winkelausrichtung und mit einer von wenigstens einer Steuergröße steuerbaren Größe, insbesondere einer Stromstärke (I), beaufschlagbar ist, und von denen der andere Teil ein konstantes, den Magnetfeldern zugeordnetes Magnetfeld (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil mindestens einen, den variablen Magentfeldern zugeordneten Sensor (7) aufweist.
2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein dynamischer Sensor ist, vorzugsweise ein induktiv wirkender Sensor oder eine Sensorspule ist.
3. Stelleinrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein statischer Sensor ist, vor zugsweise eine Feldplatte oder ein Xallsensor ist.
4. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der, von den variablen Magnet feldern im Sensor bewirkten Ausgangsgröße (uns) ein Signal zur Darstellung des eingestellten Drehwinkels ( X ) des Stellgliedes gebildet wird.
5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zur Regelung des Drehwinkels ( a ) herangezogen wird.
6. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied durch einen Pulsdauermodulator (2) angesteuert ist, dessen Ausgangstastverhältnis proportional zum einzustellenden Drehwinkel ist.
7. Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsdauermodulator (2) einen Schaltregler (3) und eine getaktete Stromquelle (4) ansteuert, die durch eine Stellwicklung (6) einen Strom (I) zur Erzeugung der variablen Magnetfelder fließen läßt.
8. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied durch einen analogen Stromregler angesteuert wird, der durch eine Stellwicklung (6) einen Strom zur Erzeugung der variablen Magnetfelder fließen läßt.
9. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (Us) des Sensors (7) auf ein gleichrichtendes Glied, vorzugsweise einen Spitzendetektor (10), oder ein effektivwertbildendes Glied gegeben wird.
10. Stelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gleichrichtenden oder des effektivwertbildenden Gliedes zur Regelung des Drehwinkels (oc) des Stellgliedes herangezogen wird.
11. Stelleinrichtung nach Anspruch o oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gleichrichtenden oder effektivwertbildenden Gliedes abgetastet wird, so daß die Abtastwerte zur Regelung des Drehwinkels ( OC ) des Stellgliedes herangezogen wird.
12. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gleichrichtenden oder effektivwertbildenden Gliedes auf einen Analog/Digital-Wandler gegeben wird, und daß ein Mikrorechner das Ausgangs signal des Analog/ Digital-Wandlers verarbeitet, um eine numerische Regelung des Drehwinkels ( X ) des Stellgliedes durchzuführen.

t3;.Stelleinrichtung-nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler oder im Regelalgorithmus zur Kompensation der durch die Drehwinkeleinstellung des Stellgliedes bedingten dynamischen Effekte der Ausgangsgröße (Us) des Sensors (7) vorge-5 sehen ist.