DE4242067C2 - Steuerverfahren und -einrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren bzw. -einrichtung für Fahrzeuge gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

In der Veröffentlichung "Elektronische Motorsteuerung für Kraftfahr­ zeuge, MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 46. Jahrgang, Heft 4, 1985, Seiten 129 bis 133" ist eine Steuereinrichtung für ein Fahrzeug be­ schrieben, bei der eine Verstelleinrichtung zur Steuerung der An­ triebsleistung des Fahrzeugs abhängig von vorgegebenen Werten einge­ stellt wird. Die dort beschriebene Verstelleinrichtung umfaßt ein Leistungsstellelement einer Brennkraftmaschine und wird von einem elektrischen Motor betätigt, wobei das Leistungsstellelement wenig­ stens abhängig von der Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Be­ dienelements mittels eines geschlossenen Lageregelkreises von dem elektrischen Motor eingeregelt wird. Bei dem elektrischen Motor han­ delt es sich um einen Gleichstrommotor (DC-Motor), dem die in Ver­ bindung mit einem Gleichstromantrieb auftretenden Nachteile bezüg­ lich Baugröße und mechanischem Aufwand anhaften.

Aus Brandstätter, A.: Regelkonzept für Schrittmotoren, TECHNICA 10/91, S. 99-107 ist ein Verfahren und eine Steuereinrichtung gemäß der Gattung der unabhängigen Patentansprüche bekannt. Das dort zur Ansteuerung eines Schrittmotors eingesetzte Modell des Schrittmotors ist jedoch relativ aufwendig und liefert hinsichtlich seines Einschwingverhaltens nur unbefriedigende Ergebnisse. Insbesondere die Impulsantwort ist relativ träge.

Aus der nachveröffentlichten DE 42 03 191 A1 ist die Ansteuerung eines Schrittmotors mit Feinpositionierung bekannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ansteuerung eines Schrittmotors über ein Schrittmotormodell im Hinblick auf Dynamik- und Positioniereigenschaften zu verbessern und insbesondere die Sprungantwort zu beschleunigen.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird ein befriedigendes Steuerverhalten einer von einem Schrittmotor angetriebenen Verstelleinrichtung in einem Fahrzeug erreicht.

Durch die Verwendung und besondere Gestaltung eines dynamischen Modells eines Schrittmotors wird ein optimales Steuerverhalten des Schrittmotors erreicht.

Besonders wird durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei beliebiger Sollwertvorgabe die Verstelleinrichtung ständig im Rahmen ihrer Dynamikmöglichkeit bewegt, wobei wirksam ein Schrittverlust oder eine Fehlpositionierung vermieden wird.

Daraus folgt unmittelbar der Vorteil, dass eine Lageregelung und ein dafür notwendiger hochauflösender Lagesensor im Bereich der Verstelleinrichtung für die Positionierung nicht notwendig ist.

Ferner hat die erfindungsgemäße Vorgehensweise den Vorteil, daß durch einen grobauflösenden Lagesensor im Bereich der Verstellein­ richtung bei einer Fehlpositionierung eine Wiederherstellung der Po­ sitionierung in der Art einer Störgrößenaufschaltung ermöglicht wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch das in der Steuereinrichtung dargestellte Modell eines Schrittmotors veränderliche Parameter vor­ liegen. Dadurch ist eine Dynamikanpassung insbesondere in Abhängig­ keit der Versorgungsspannung (Unterspannung während des Starts, da­ durch langsamere Verstellung) oder der Motortemperatur (während des Warmlaufs durch höhere Reibung langsamere Verstellung) möglich.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind darin zu sehen, daß bei einer Sollwertänderung die Verstelleinrichtung ste­ tig, d. h. ohne sprungartige Bewegung der Verstelleinrichtung oder schwingende Bewegungen am Beginn der Verstellung, verstellt wird und auf den vorgegebenen Wert ohne Überschwingen positioniert wird.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den abhängigen Ansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein grobes Übersichtsblockschaltbild einer Steuereinrichtung für Fahr­ zeuge, während in Fig. 2 die Steuereinrichtung im Hinblick auf die Einstellung einer Verstelleinrichtung als Blockschaltbild näher aus­ geführt ist. Fig. 3 schließlich zeigt als Blockschaltbild die Struktur des Schrittmotormodells. Fig. 4 schließlich zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung einer digitalen Realisierung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise. Fig. 5 zeigt den Signalverlauf bei verschiedenen sprungförmigen Sollwertänderungen, während in Fig. 6 der zeitliche Verlauf der Position der Verstelleinrichtung bei einem ausgewählten Sollwertsprung verdeutlicht ist. Fig. 7 schließ­ lich zeigt den Verlauf der Position der Verstelleinrichtung für den Fall einer umkehrsprungartigen Änderung des Sollwerts.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist als Übersichtsblockschaltbild eine Steuereinrichtung für ein Fahrzeug skizziert. Diese Steuereinrichtung umfaßt eine Steuereinheit 10, welche im wesentlichen aus Eingangselement 12 und Rechenelement 14 besteht. Eingangselement 12 und Rechenelement 14 sind über das Leitungssystem 16 zum gegenseitigen Daten- und Infor­ mationsaustausch miteinander verbunden. Dem Eingangselement 12 der Steuereinheit 10 sind verschiedene Eingangsleitungen zugeführt. Eine erste Eingangsleitung 18 verbindet die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 20 zur Erfassung der Stellung einer Verstelleinrich­ tung 22. Eine zweite Eingangsleitung 22 verbindet die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 24, welche über eine mechanische Verbin­ dung 26 mit einem vom Fahrer betätigbaren Bedienelement 28, einem Fahrpedal, zur Erfassung dessen Stellung verbunden ist. Eine dritte Eingangsleitung 30 ist mit einer Meßeinrichtung 32 zur Erfassung der Versorgungsspannung der Anordnung verknüpft, während weitere Ein­ gangsleitungen 34 bis 36 mit Meßeinrichtungen 38 bis 40 verbunden sind, welche weitere Betriebsgrößen der Antriebseinheit und/oder des Fahrzeugs, z. B. die Motortemperatur, etc., erfassen.

Das Rechenelement 14 verfügt über die Ausgangsleitungen 42 und 44, die auf Stromregler 46 und 48 zur Regelung des zur Ansteuerung des Schrittmotors 50 dienenden Stroms führen.

Die Verstelleinrichtung 22 besteht im wesentlichen aus dem Schritt­ motor 50, einer mechanischen Verbindung 52 und einem Leistungsstell­ element 54, im bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Drosselklappe. Im Bereich der mechanischen Verbindung 52 bzw. der Drosselklappe 54 oder des Schrittmotors 50 ist die Meßeinrichtung 20 angebracht.

In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen in Verbindung mit ei­ nem Dieselmotor handelt es sich bei dem Stellglied um eine Ein­ spritzpumpe, deren beweglicher Teil vom Schrittmotor betätigt wird.

Der Schrittmotor 50 umfaßt neben einem Rotor 56, welcher mit der mechanischen Verbindung 52 verknüpft ist, wenigstens zwei Phasen­ wicklungen 58 und 60. Dabei ist der Anschlußpunkt 62 der Phasenwick­ lung 58 über eine Leitung 64 mit einer ersten Endstufe 66 verknüpft, während der zweite Anschlußpunkt 68 über eine Leitung 70 ebenfalls mit der ersten Endstufe 66, einer Vollbrückenendstufe im bevorzugten Ausführungsbeispiel eines bipolaren Schrittmotors, verknüpft ist. Von dieser Endstufe wird über die Leitung 72 ein den Strom durch die Wicklung charakterisierendes Meßsignal zum Stromregler 46 zurückge­ führt, welcher über die Leitung 74 die Endstufe 66 betätigt und so­ mit den Strom in der ersten Phase, durch die erste Phasenwicklung 58 regelt. In vergleichbarer Weise ist die zweite Phase des Schrittmo­ tors 50 aufgebaut. Vom Anschlußpunkt 76 der zweiten Phasenwicklung 60 führt eine Leitung 78 zur zweiten Endstufe 80, während vom An­ schlußpunkt 82 der zweiten Phasenwicklung 60 eine Leitung 84 zur zweiten Endstufe 80 führt. Die Rückführleitung 86 verbindet Endstufe 80 mit dem Stromregler 48 wie oben beschrieben, während eine An­ steuerleitung 88 vom Stromregler 48 zur Endstufe 80 zu deren Betäti­ gung und zur Regelung des Stroms in der zweiten Phasenwicklung 60 führt.

Neben den beschriebenen Ausgangsleitungen kann die Steuereinheit 10 über weitere Funktionen verfügen, welche durch die strichliert dar­ gestellten Ausgangsleitungen 90 skizziert sind. Über diese Ausgangs­ leitungen 90 werden, gegebenenfalls über Ausgangselemente zur Signalanpassung, welche der Einfachheit halber in Fig. 1 nicht dar­ gestellt sind, Stellelemente 92 zur Durchführung von Funktionen wie Kraftstoffzumessung, Zündzeitpunktseinstellung und/oder Getriebe­ steuerung, etc. durchgeführt. Aus Übersichtlichkeitsgründen werden diese, in der Regel aus dem Stand der Technik bekannten Funktionen, im folgenden nicht näher beschrieben.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ergibt sich beim gezeigten Ausführungsbeispiel einer elektronischen Motor­ leistungssteuerung wie folgt.

Abhängig von der Stellung des Bedienelements 28 wird in der Steuer­ einheit 10 ein Sollpositionswert für die Verstelleinrichtung 22 er­ mittelt. In der Ruhestellung des Fahrpedals wird dieser Sollwert auf der Basis der über die Leitungen 38 bis 40 ermittelten Betriebsgrö­ ßen wie Motortemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Getriebestellung, Status verschiedener Verbraucher (Klimaanlage), etc. zur Leerlaufre­ gelung berechnet. Ebenso verfügt die Anordnung über einen Fahrge­ schwindigkeitsregelmodus, bei dem der Sollwert auf der Basis eines entsprechenden Bedienelements festgelegt wird. Bei Antriebsschlupf­ regeleingriffen wird ein Positionssollwert abhängig von entsprechen­ den Eingriffsignalen gebildet, welche abhängig von Raddrehzahl­ signalwerten festgelegt werden.

Der Sollwert wird vom Rechenelement 14 auf eine nachfolgend be­ schriebene Art in einem vorgegebenen Zeitraster weiterverarbeitet und in Stromsollwerte für beide Phasen des Schrittmotors 50 bzw. auszuführende Schrittzahl umgesetzt. Dabei kann er gegebenenfalls zur Erkennung von Schrittverlust bzw. Fehlpositionierungen mit dem von der Meßeinrichtung 20 erfaßten Stellungswert der Verstellein­ richtung 22 in Beziehung gesetzt werden. Die Stromsollwerte für die beiden Phasen werden über die Leitungen 42 und 44 an die jeweiligen Stromregler abgegeben, welche den vorbestimmten Strom für jeden auszuführenden Schritt zur Positionierung der Verstelleinrichtung 22 einstellen. Die Umsetzung des Sollwertes in die Stromsollwerte für die Wicklungen des Schrittmotors erfolgt dabei wie anhand des Über­ sichtsblockschaltbildes nach Fig. 2 skizziert.

Eine entsprechende Vorgehensweise ergibt sich im Zusammenhang mit unipolaren Schrittmotoren oder mit Schrittmotoren mit mehr als zwei, z. B. vier Phasenwicklungen.

In Fig. 2 ist die Steuereinheit 10 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Auf eine Darstellung des Eingangselements 12 wurde aus Übersichtlichkeitgründen verzichtet.

Die bereits anhand Fig. 1 dargestellten Elemente sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden im folgenden nicht mehr näher beschrieben.

Einen ersten Block 100, der als Sollwertbildner dient, werden die Eingangssignale der Eingangsleitungen 22 und 34 bis 36 z. B. über ein Bussystem oder Analog/Digital-Wandler zugeführt. Im Element 100 wird der Positionssollwert im wesentlichen abhängig von der Stellung des Bedienelements 28 gebildet. Eine Verbindungsleitung 102 verbindet den Sollwertbildner 100 mit dem Schrittmotormodell 104. Diesem sind über die Eingangsleitung 30 ein Wert für die Versorgungsspannung der Anordnung zugeführt, sowie über die Eingangsleitung 106 ein Maß für die einzustellende Position, z. B. eine Information über die ausgege­ bene Anzahl von Schritten oder den einzustellenden Winkel. Eine Aus­ gangsleitung 108 führt vom Schrittmotormodell 104 zu einem Ver­ knüpfungselement 110, dem die Leitung 112 von einem Vergleicher 114 zugeführt ist. Die Ausgangsleitung 116 des Verknüpfungselements 110 übermittelt ein Maß für die vom Schrittmotor einzustellende Posi­ tion, beispielsweise eine Winkelinformation oder die Zahl der ausge­ gebenen Schritte (Schrittzähler). Von der Leitung 116 führt die Lei­ tung 106 zurück im Sinne einer Rückkopplung zum Modell 104, während eine weitere Leitung 118 zum Vergleichselement 114 führt. Letzterem wird dabei über die Eingangsleitung 18 ein Maß für die tatsächliche Stellung der Verstelleinrichtung 22 zugeführt. Die Leitung 116 führt auf einen Block 120 zur Schrittgenerierung, dessen Ausgangsleitungen die Leitungen 42 und 44 darstellen.

Im Sollwertbildner 100 wird auf der Basis der zugeführten Betriebs­ größen mittels eines Kennfelds, einer Kennlinie oder auf Berech­ nungswege ein Sollwert für die Position der Verstelleinrichtung ge­ bildet. Dieser Sollwert wird dem Schrittmotormodell 104 zugeführt. Die Parameter des Modells werden dabei abhängig von der über die Leitung 30 zugeführten Versorgungsspannung und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel abhängig von der Motortemperatur gewählt. Im Schrittmotormodell 104 wird der über die Leitung 102 übermittelte Sollwert zu dem Wert (z. B. ausgeführte Schrittzahl), welcher über die Leitung 106 dem Modell 104 zugeführt wird, in Beziehung gesetzt und in Form eines im wesentlichen proportional-verzögernden-Elements verarbeitet. Der so gewonnene Ausgangswert wird über die Leitung 108 zum Verknüpfungselement 110 geführt. Dieser Wert, welcher ein Maß für einzustellende Position repräsentiert, wird gegebenenfalls im Verknüpfungselement 110, wie weiter unten dargestellt, korrigiert. Der so gebildete Ausgangssignalwert wird über die Leitung 116 dem Schrittgenerierungselement 120 zugeführt.

Der Ausgangssignalwert auf der Leitung 116 stellt dabei einen vorge­ gebenen Winkel oder einen Tabellenzeiger dar, welcher im Schrittge­ nerierungselement 120 in Stromsollwerte für die beiden Phasen des Schrittmotors umgesetzt wird. Beim Schrittmotor wiederholt sich bekanntlich die Stellung des Feldvektors in bestimmten Winkelstel­ lungen. Daher wiederholt sich die Zuordnung zwischen Schrittmotor­ winkel bzw. -position und Stromsollwert für die Ansteuerung der Mo­ torwicklungen entsprechend. Dadurch ergibt sich eine besonders ein­ fache Realisierung des Schrittgenerierungselements, da die Strom­ sollwerte in Abhängigkeit des Ausgangssignalwerts in einer Tabelle abgelegt werden können, die lediglich die Zuordnung für einen be­ stimmten Winkelbereich enthält, der maximal so groß gewählt wird, daß der Feldvektor innerhalb dieses Bereichs nur eindeutige Stellun­ gen einnimmt. Der Ausgangssignalwert auf der Leitung 116 wird in diesem Fall in einen Tabellenzeiger umgewandelt, auf dessen Basis aus der im Rechner vorgegebenen Tabellen für die jeweilige Phase den jeweils zur Einstellung des Winkels gewünschten Stromsollwert ent­ nommen wird. Durch mathematische Operationen wie Spiegelungen kann dieser Bereich noch zusätzlich verkleinert werden. Die Ausgabe der Stromsollwerte unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung in vor­ gegebenem Zeitraster führt letztendlich zur schrittweisen Verstel­ lung des Motors. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Win­ kelbereich 4 Vollschritte. Bei einer derartigen Realisierung ist je­ doch sicherzustellen, daß ein Schrittverlust bzw. eine Fehlpositio­ nierung erkannt und korrigiert werden kann. Zu diesem Zweck dient der Vergleicher 114, indem der Ausgangssignalwert über die Leitung 118 mit dem Stellungswert der Verstelleinrichtung über die Leitung 18 verglichen wird.

Überschreitet bzw. unterschreitet die Differenz zwischen dem Stel­ lungswert der Verstelleinrichtung und dem Ausgangssignalwert auf der Leitung 116 einen vorgegebenen Schwellwert, der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dem im Schrittgenerierungselement 120 abgelegten Bereich entspricht, so wird über die Leitung 112 der Ausgangswert um diesen Bereichswert, im bevorzugten Ausführungsbeispiel 4 Voll­ schritte, korrigiert. Dadurch verändert sich der Ausgangssignalwert auf der Leitung 116, wobei dann das Modell 114 eine Differenz zwischen Soll- und dem über die Leitung 106 rückgeführten Wert fest­ stellt und entsprechend reagiert. Durch diese Lagewiederherstellung in Form einer Störgrößenaufschaltung wird es möglich, einen Schritt­ verlust zu korrigieren. Weiter kann der Stellungsgeber 20 sehr grob auflösend sein, da zur Feststellung des Schrittverlusts lediglich eine Differenz im Bereich von vier Vollschritten betrachtet wird. Die Auflösung des Lagesensors 20 kann dann entsprechend gewählt wer­ den. Ein hochauflösender Lagesensor mit seiner Problematik ist somit für die reine Positionierung nicht not­ wendig.

In Fig. 3 ist die oben beschriebene Vorgehensweise anhand eines Blockschaltbilds unter Darstellung des verwendeten Schrittmotormo­ dells näher erläutert. Dabei sind die bereits in Fig. 1 oder 2 be­ zeichneten Elementen mit denselben Bezugszeichen versehen. Auf eine detaillierte Schilderung wird im Zusammenhang mit Fig. 3 bezüglich diesen Elementen verzichtet.

Die Einheit 200 besteht im wesentlichen aus vier Elementen 202 bis 208, welche das Schrittmotormodell bilden. Der berechnete Sollwert wird über die Leitung 102 auf eine Verknüpfungsstelle 210 geführt, der über die Leitung 106 die Ausgangssignalwerte zugeführt werden. Von der Verknüpfungsstelle 210 führt eine Leitung 212 zum ersten Element 202. Dessen Ausgangsleitung 214 führt auf eine Verknüpfungs­ stelle 216, der die weitere Eingangsleitung 218 vom zweiten Element 204 des Modells zugeführt wird. Die Ausgangsleitung 220 der Ver­ knüpfungsstelle 216 führt auf ein drittes Element 206 des Modells, dessen Ausgangsleitung 222 zum einen auf das zweite Element 204, zum anderen auf ein viertes Element 208 führt. Dessen Ausgangsleitung wiederum bildet die Leitung 108, die das vierte Element 208 mit dem Verknüpfungselement 116 verbindet, dessen Ausgangsleitung 116 die Ausgangsleitung der Anordnung 200 ist.

Das durch die Elemente 202 bis 208 gebildete Modell eines Schrittmo­ tors stellt im wesentlichen ein PT2-Glied mit nichtliniearer Kenn­ linie (Element 202) dar. Das PT2-Glied (proportionales-verzögerndes Verhalten) simuliert das sehr träge, asymptotische Einschwingen des Schrittmotorstellers auf die Sollposition.

Die im Verknüpfungselement 210 gebildete Differenz zwischen Sollwert und Ausgangssignalwert X_D wird über die Leitung 202 zur nichtli­ nearen Kennlinie 202 (K_V) überführt. Diese ist derart gestaltet, daß bei betragsmäßig kleinen Abweichungen ein größerer Wert auf der Leitung 214 gegeben wird als bei betragsmäßig größeren Abweichungen. Dies bedeutet, daß kleine Abweichungen stärker gewichtet werden als größere. Diese gewichtete Differenz wird im Verknüpfungselement 216 mit dem proportional verstärkten Ausgangssignal des Elements 206 verknüpft, insbesondere wird die Differenz zwischen den beiden Wer­ ten gebildet. Auf der Leitung 220, der Ausgangsleitung des Ver­ knüpfungselements 216, tritt somit ein Maß für die Beschleunigung des Schrittmotors auf, welches im Element 206 zur Geschwindigkeit der Schrittmotorverstellung integriert wird. Das Element 206 stellt einen Integrator mit der Zeitkonstante T₁ dar. Die so gebildete Geschwindigkeit wird durch den Integrator T₂ des Elements 208 zur Position X_A verarbeitet. Dieser Positionswert wird als Win­ kel- bzw. Zeigerwert über die Leitung 106 ausgegeben. Die Parameter K_V, K_R T₁ und T₂ können in Abhängigkeit von der über die Leitung 30 zugeführte Versorgungsspannung und/oder der Motortempera­ tur verändert werden, so daß das Verhalten des Schrittmotors, insbe­ sondere seine Verstellgeschwindigkeit und Beschleunigung den jewei­ ligen Betriebsumständen angepaßt wird. So wird z. B. bei Unterspan­ nung während des Startvorgangs die Dynamikanpassung zu einer lang­ sameren Verstellung des Schrittmotors hin verändert. Ebenso wird während der Warmlaufphase des Motors eine langsamere Verstellung des Schrittmotors gewährleistet. Dies ergibt insgesamt eine exakte Posi­ tionierung. Im Verknüpfungselement 110 wird bei erkanntem Schrittverlust die vorgegebene Sollposition durch Störgrößenauf­ schaltung, wie oben beschrieben, wiederhergestellt.

Durch die in Fig. 3 dargestellte Modellstruktur können die angege­ benen Vorteile sowie das in den Fig. 5 bis 7 beschriebene vor­ teilhafte Steuerverhalten erreicht werden. Besondere Bedeutung ge­ winnt dieses Modell dadurch, daß die Stromvorgaben für die einzelnen Phasen derart bestimmt werden, daß ein Schrittverlust infolge zu ho­ her Verstellgeschwindigkeit oder -beschleunigung im wesentlichen verhindert wird. Dabei werden die Stromänderungen in den beiden Pha­ sen mit einer an das Gesamtsystem angepaßten Geschwindigkeit vorge­ nommen. Die Differenz zwischen Soll- und Istposition, die "Regelab­ weichung", ist ein Maß für die Beschleunigung des Schrittmotors. Die doppelte Integrierung dieser Beschleunigung über die Zeit führt am Ausgang des Elements 200 zum Weg und damit zur Lage des Schrittmo­ tors. Die nichtlineare Kennlinie 202 gewichtet die Beschleunigung und verbessert das ansonsten sehr träge Einschwingen des Modells auf seinen Zielwert. Durch entsprechende Anpassung der Parameter kann das Anfahren und Abbremsen des Schrittmotors symmetrisch zueinander gestaltet werden. Dies gibt bezüglich des Steuerverhaltens erhebli­ che Vorteile. Insgesamt hat das erfindungsgemäße Vorgehen den Vor­ teil, daß bei beliebiger Sollwertvorgabe (Sprungvorgabe, Umkehr­ sprung) der Schrittmotor ständig im Rahmen seiner Dynamikmöglichkei­ ten bewegt wird, ohne Schritte zu verlieren oder eine Fehlposition einzunehmen. Dies kann dabei ohne Lagesensor für die Verstellfunk­ tion erreicht werden.

In Fig. 4 ist ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsge­ mäßen Vorgehensweise beschrieben.

Nach Start des Programmteils zu vorgegebenen Zeitpunkten T_A, z. B. im Millisekundenraster, werden in einem ersten Schritt 300 die Para­ meter des Modells abhängig von der Versorgungsspannung und/oder der Motortemperatur festgelegt. Im darauffolgenden Schritt 302 wird der Sollwert X_Soll aus den zur Verfügung stehenden Betriebsgrößen, insbesondere der Stellung des vom Fahrer betätigbaren Bedienelements 28, festgelegt. Daraufhin wird im Schritt 304 der aus dem vorherge­ henden Programmdurchlauf k - 1 festgestellte Ausgangswert der Anord­ nung (Leitung 116) X_a(k-1) eingelesen und im darauffolgenden Schritt 306 die Differenz X_D zwischen Sollwert und diesem Istwert aus dem vorhergehenden Programmdurchlauf berechnet. Danach wird im Schritt 308 gemäß der nichtlinearen Kennlinie des Elements 202 der Wert K_V als Funktion der Differenz X_D bestimmt und im darauffol­ genden Schritt 310 die Beschleunigung A aus der Differenz zwischen dem im Schritt 308 bestimmten Wert K_V und dem proportional ver­ stärkten Geschwindigkeitwert V_k-1 (Verstärkungsfaktor K_R) aus dem vorhergenden Programmdurchlauf bestimmt (K_R.V_k-1).

Im Schritt 312 wird die im Schritt 310 bestimmte Beschleunigung A des Schrittmotors über die Zeit integriert, so daß die Geschwindig­ keit des Schrittmotors V_k im aktuellen Programmdurchlauf ermittelt wird. Die Integration erfolgt durch Addition des Werts T_A/T₁.A und der Geschwindigkeit V_k-1 des vorhergehenden Programmdurch­ laufs. In analoger Weise wird im Schritt 314 aus der im Schritt 312 bestimmten Geschwindigkeit V_k und dem Ausgangswert X_a(k-1) des vorhergehenden Programmdurchlaufes der Ausgangswert X_ak des aktuellen Programmdurchlaufs bestimmt.

Darauffolgend wird im Abfrageschritt 316 überprüft, ob der Ausgangs­ wert des vorhergehenden Programmdurchlaufs X_a(k-1) von dem von der Meßeinrichtung 20 gemessenen Stellungswert alpha der Verstellein­ richtung abweicht. Überschreitet die Differenz zwischen diesen bei­ den Werten einen vorgegebenen Schwellwert TH, so wird gemäß Schritt 318 der Ausgangswert X_ak korrigiert. Da sich der einstellende Feldvektor des Schrittmotors sich nach einem gewissen Winkelbereich, beispielswiese vier Vollschritten, wiederholt, wird der Schwellwert TH entsprechend diesem Bereich gewählt, das heißt im Ausführungs­ beispiel auf vier Vollschritte festgelegt. In anderen Ausführungs­ beispielen kann dieser Schwellwert auf ein Vielfaches oder einen Teil dieses Wertes festgelegt werden, vorteilhafterweise auf den zur Schrittgenerierung abgespeicherten Wertebereich. Überschreitet die Differenz zwischen dem Ausgangswert und dem Stellungswert diesen Schwellwert, wird ein Schrittverlust bzw. eine Fehlpositionierung angenommen und der Ausgangswert um diesen Schwellwert erniedrigt, das heißt gemäß Schritt 318 wird der neue Ausgangswert aus dem alten minus dem Schwellwert gebildet (X_ak = X_ak - TH). Unterschreitet die Differenz zwischen den beiden Werten den vorgegebenen Schwell­ wert (negative Abweichung, Schritt 319), wird gemäß Schritt 319a ei­ ne Fehlpositionierung bzw. ein Schrittverlust angenommen und der Schwellwert zu dem aktuellen Ausgangswert addiert und so der neue Ausgangswert gebildet (X_ak = X_ak + TH). Wird kein Schrittverlust oder eine Fehlpositionierung festgestellt, wird der Schritt 320 aus­ geführt. Dabei wird in Abhängigkeit des Ausgangswerts X_ak aus ei­ ner Tabelle die Stromsollwerte für die Phase 1 und die Phase 2 aus­ gelesen und im darauffolgenden Schritt 322 unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung ausgegeben. Die Bestimmung der Stromsollwerte in Abhängigkeit des Ausgangswerts erfolgt dabei mittels einer Tabel­ le, welche den Zusammenhang zwischen dem Ausgangswert und den Strom­ sollwerten repräsentiert.

Nach Schritt 322 wird der Programmteil beendet und zu gegebenen Zeitpunkten wiederholt.

In den Fig. 5 bis 7 wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorgehensweise anhand von Signalverläufen verdeutlicht.

Dabei ist auf den jeweiligen Waagrechten die Zeit T aufgetragen, während auf den Senkrechten jeweils der Sollwert X_Soll bzw. die Position der Verstelleinrichtung alpha aufgezeichnet ist.

Fig. 5 stellt die Positionierung der Verstelleinrichtung bei ver­ schiedenen Sollwertänderungen dar.

Die in Fig. 5a gezeigte Sollwertänderung stellt dabei eine relati­ ve, keine absolute Änderung dar. Die durchgezogene Linie zeigt eine betragsmäßig große Sollwertänderung (z. B. 100%-Sprung in 90 msec), während die strichlierte eine betragsmäßig kleine Sollwertänderung (z. B. 3%-Sprung in 20 msec) zeigt. Der entsprechende Verlauf der Stellung der Verstelleinrichtung ist in Fig. 5b aufgetragen. Charakteristisch dabei ist, daß zumindest für betragsmäßig große Sollwertänderungen die Stellungsänderung des Schrittmotors mit im wesentlichen (im Rahmen üblicher Toleranzen) konstanter Geschwindig­ keit erfolgt (vgl. gerade Linie zwischen den Zeitpunkten T₁ und T₂). Das schnelle Einschwingen auf die vorgegebene Position zu dem erwähnten Zeitpunkt ist Folge der Verwendung der nichtlinearen Kenn­ linie, durch welche kleinere Abweichungen höher gewichtet werden und daher das träge Einschwingverhalten des PT2-Schrittmotormodells ver­ bessert wird. Durch das Modell (Elemente 204, 206) erfolgt ferner im Prinzip eine Regelung der Verstellgeschwindigkeit des Schrittmotors, so daß die Verstellung mit konstanter, maximal möglicher Geschwin­ digkeit für alle Sollwertänderung erfolgen kann.

In Fig. 6 ist eine sprungförmige Sollwertänderung und die darauf folgende Stellungsänderung der Verstelleinrichtung (strichliert) aufgezeichnet. Dabei fällt auf, daß der Anfahrvorgang und der Ab­ bremsvorgang zur Positionierung des Schrittmotors nahezu umgekehrt symmetrisch zueinander sind. Der zeitliche Verlauf der Veränderung der Position alpha der Verstelleinrichtung ist daher dergestalt, daß der Anfahrvorgang aus einer Startposition im Zeitverhalten dem Ab­ bremsvorgang in die zu erreichende Position entspricht. Die Verstel­ lung außerhalb dieser Phasen erfolgt dabei mit konstanter Geschwin­ digkeit. Dadurch ergibt sich ein verbessertes Steuerverhalten und eine verbesserte Positionierung des Schrittmotors. Insbesondere ist dabei vorteilhaft, daß weder ein Überschwingen beim Abbremsen, noch ein stufenförmiger Verlauf beim Anfahren und Abbremsen auftritt. Dies ist eine Folge der Verwendung des Schrittmo-tormodells mit einer vorgeschalteten nichtlinearen Kennlinie.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Stellung der Verstelleinrichtung bei einem Umkehrsprung des Sollwerts, das heißt einer positiven Soll­ wertänderung und darauffolgender negativer Sollwertänderung, bevor der Schrittmotor die vorgegebene Position eingenommen hat. Es zeigt sich ein symmetrisches Verhalten der Schrittmotorenstellung. Da An­ fahren und Abbremsen zueinander symmetrisch sind, führt der vorgege­ bene Umkehrsprung zu einem symmetrischen Anfahren und Abbremsen mit nachfolgenden symmetrischem Zurückfahren und Abbremsen auf die vor­ herige Position. Auch dadurch werden erhebliche Vorteile bei Posi­ tionierung und Steuerverhalten erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise findet überall dort Anwendung, wo Verstelleinrichtungen mit Schrittmotoren auf einen vorgegebenen, beliebig und unvorhersehbar verlaufenden Sollwert zu positionieren sind.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines Schrittmotors (50) einer Verstelleinrichtung (22) in einem Fahrzeug über Steuermittel (200) zur Ansteuerung des Schrittmotors (50), bei dem ein Positionssollwert (102, x_soll) gebildet wird und dieser durch die Steuermittel (200) mittels Ansteuerung des Schrittmotors (50) eingestellt wird, wobei der Schrittmotor (50) ausgehend von dem Sollwert (102, x_soll) auf der Basis eines Modells (104) des Schrittmotors (50) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrittmotormodell (104) ein PT2-Glied (204, 206, 208) mit vorgeschalteter nichtlinearer Kennlinie (202) umfasst, welches rückgekoppelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Modells (104) im Hinblick auf ein zeitoptimales Kriterium eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Modells (104) derart eingestellt werden, dass bei sprungförmiger Änderung des Positionssollwertes (102, x_soll) zumindest für betragsmäßig große Sollwertänderungen die Verstellgeschwindigkeit des Schrittmotors (50) für alle Sollwertänderungen im wesentlichen konstant ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Modells (104) derart eingestellt werden, dass bei sprungförmiger Änderung des Positionssollwertes (102, x_soll) der Anfahrvorgang und der Abbremsvorgang zur Einstellung des Sollwertes (102, x_soll) einen zueinander nahezu symmetrischen zeitlichen Verlauf der Positionsänderung aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des Modells (104) derart eingestellt werden, dass bei einer umkehrsprungförmigen Änderung des Positionssollwertes (102, x_soll) vor Erreichen des Sollwerts (102, x_soll) durch die Istposition (α) des Schrittmotors (50) die Stellungsänderung des Schrittmotors (50) symmetrisch über der Zeit ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssollwert (102, x_soll) mit einem Ausgangswert (106, 116) der Steuermittel (200), insbesondere mit dem Schrittzählerstand, zur Bildung einer Abweichung (212, x_D) in Beziehung gesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Abweichung (212, x_D) mittels der nicht linearen Kennlinie (202), welche betragsmäßig kleine Abweichungen stärker gewichtet als betragsmäßig größere, ein Beschleunigungswert (214) bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungswert (214) im folgenden zweimal über die Zeit integriert wird (206, 208) zur Bildung einer Position (108, x_a), und diese Position (108, x_a) als Ausgangswert (106, 116) zur Bildung der Ansteuerung des Schrittmotors (50) verwendet wird.

9. Steuereinrichtung für ein Fahrzeug zur Steuerung eines Schrittmotors (50) einer Verstelleinrichtung (22) mit Mitteln zum Bilden eines Positionssollwerts (102, x_soll) und mit Steuermitteln (200) zur Einstellung der Istposition (α) des Schrittmotors (50) auf den Sollwert (102, x_soll) mittels Ansteuerung des Schrittmotors (50), wobei die Ansteuerung des Schrittmotors (50) ausgehend von dem Sollwert (102, x_soll) auf der Basis eines Modells (104) des Schrittmotors (50) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrittmotormodell (104) ein PT2-Glied (204, 206, 208) mit vorgeschalteter nichtlinearer Kennlinie (202) umfasst, welches rückgekoppelt ist.

10. Steuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (22) eine Drosselklappe (54) einer Brennkraftmaschine oder eine Regelstange eines Dieselmotors umfasst.