DE3407097C2

DE3407097C2 -

Info

Publication number: DE3407097C2
Application number: DE19843407097
Authority: DE
Inventors: Adolf 4040 Neuss De Freytag; Wolfgang 5276 Wiehl De 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: 1991-10-02
Also published as: DE3407097A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines Stellgliedes nach der Gattung des Hauptanspruchs.

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 Magnetfeldern variabler Stärke und verschiedener Winkelausrichtung in bezug auf die Drehachse des Motors mit zwei Wicklungen versehen ist, die von Gleichstrom mit entsprechend wenigstens einer Steuergröße steuerbaren Stromstärke beaufschlagbar sind, und von denen der andere Teil ein konstantes, den variablen Magnetfeldern zugeordnetes Magnetfeld aufweist. Dabei entspricht der Drehwinkel des Stellgliedes 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. Nichtlinearitäten 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 Änderung des bislang benutzten Ansteuerprinzips nötig, also insbesondere kein zusätzlicher Oszillator. Die Rotorbauform, sowie die Baugröße des Stellgliedes bleiben unverändert. Statische Sensoren sind etwa Feldplatten oder Hallsensoren, dynamische oder induktive Sensoren können als einfache Sensorspulen ausgebildet sein. Im Stator, in den der Stator eingebaut ist, ist der Sensor einfach anzubringen. Es ist kein zusätzlicher Hardware-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.

Das Ausgangssignal des Sensors wird zur Messung des eingestellten Drehwinkels herangezogen. Diese Messung ermöglicht es, innerhalb einer Regelung das Stellglied so anzusteuern, daß sich im Regelbereich lastunabhängig ein konstanter Drehwinkel einregelt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung möglich. Bei Ansteuerung durch einen Pulsdauermodulator läßt sich die Regelung in einfacher Weise durch Veränderung der Pulsdauer in Abhängigkeit des Ausgangssignals 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. Die Verwendung eines analogen Stromreglers ermöglicht es, die Zweipunktregelung zu linearisieren, sowie die Freilaufdiode der Induktivität des Stellgliedes einzusparen. Durch Spitzendetektion des Ausgangssignals der Sensorspule wird der Einfluß der Pulsfrequenz des Pulsdauermodulators auf die 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung in Blocksymbolen, sowie

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 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 1 liegt eine Spannung an, die proportional zu einem einzustellenden Winkel α_s 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 (Fig. 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. Fig. 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/T_R=10 kHz. Der Wechselstromanteil des Stromes I durch die Stellwicklung 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 U_S induziert, wie sie in Fig. 2, Zeile 3 dargestellt ist. Die induzierte Spannung U_S ist in bekannter Weise eine Funktion des Kosinus des Drehwinkels α, 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 Eingangskreis eine nicht näher dargestellte Temperaturkompensation durchgeführt wird. Somit ist die induzierte Spannung U_S in erster Näherung eine Funktion des Kosinus des Drehwinkels α 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, die proportional ist zum Kosinus des Stellwinkels α des Rotors. Ist der effektive Stellwinkel α des Rotors ungleich dem Sollwert α_s an der Eingangsklemme 1, so wird durch den Pulsdauermodulator 2 der Tastgrad der Pulsfolge 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 eliminiert werden, wenn sich der Strom im Regelbereich zeitlineal ändert, was dadurch erreicht werden kann, daß 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 Ausgangsspannung des Spitzendetektors 10 auf einen Analog/Digital-Wandler gegeben wird, dessen Ausgangszahl für einen Mikrorechner zur Verfügung steht. Ebenfalls kann der Pulsdauermodulator 2 in diesem Mikrorechner realisiert werden. 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 Kostenvorteil 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

1. Stelleinrichtung zur Drehwinkeleinstellung eines Stellgliedes mit einem feststehenden und einem drehbaren Teil, von denen

- der eine Teil (6) zur Erzeugung von Magnetfeldern variabler Stärke und Winkelausrichtung dient und mit einer von wenigstens einer Steuergröße steuerbaren Größe, insbesondere einer Stromstärke (I), zur Einstellung eines Drehwinkels beaufschlagbar ist, und
- der andere Teil (5) ein konstantes, das variable Magnetfeld überlagerndes Magnetfeld aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Sensor (7) im Bereich beider Teile angeordnet ist und das resultierende Magnetfeld sensiert und
- die Sensorsignale des Sensors (7) zur Darstellung des eingestellten Drehwinkels und/oder zur Regelung der Drehwinkeleinstellung herangezogen werden.

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 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein statischer Sensor ist, vorzugsweise eine Feldplatte oder ein Hallsensor ist.

4. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied durch einen Pulsdauermodulator (2) angesteuert ist, dessen Ausgangstastverhältnis proportional zum einzustellenden Drehwinkel ist.

5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4, 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.

6. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.

7. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße (U_S) des Sensors (7) auf ein gleichrichtendes Glied, vorzugsweise einen Spitzendetektor (10) oder ein effektivwertbildendes Glied gegeben wird.

8. Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gleichrichtenden oder des effektivwertbildenden Gliedes zur Regelung des Drehwinkels (α) des Stellgliedes herangezogen wird.

9. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gleichrichtenden oder effektivwertbildenden Gliedes auf einen Analog/Digital-Wandler gegeben wird und daß ein Mikrorechner das Ausgangssignal des Analog/ Digital-Wandlers verarbeitet, um eine numerische Regelung des Drehwinkels (α) des Stellgliedes durchzuführen.

10. Stelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler oder ein Regelalgorithmus zur Kompensation der durch die Drehwinkeleinstellung des Stellgliedes bedingten dynamischen Effekte der Ausgangsgröße (U_S) des Sensors (7) vorgesehen ist.