DE4310859A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung einer Verstelleinrichtung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung einer Verstelleinrichtung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Posi­ tionierung einer Verstelleinrichtung gemäß den Oberbegriffen der un­ abhängigen Patentansprüche.
Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 35 10 176 (US-Patent 4 622 936) bekannt. Dort wird am Beispiel einer elektrisch steuerbaren Drosselklappe eines Kraftfahrzeugs die Positionierung der Drosselklappe über einen elektrischen Motor und eine Endstufe durch einen Lageregler in Abhängigkeit der Abweichung eines durch ein Meßelement erfaßten Lageistwerts und einem vorgege­ benen Lagesollwert vorgenommen. Der Lagesollwert wird dabei in Ab­ hängigkeit von Betriebsgrößen, wie die Stellung eines vom Fahrer be­ tätigbaren Bedienelements, in einem Rechenelement gebildet und als analoger Signalpegel an den Lageregler abgegeben. Die Genauigkeit der Positionierung der Verstelleinrichtung hängt bei der bekannten Vorgehensweise von der Auflösung eines die digitale Sollwertdarstel­ lung im Rechner in einen analogen Pegel umsetzenden Digital-/Analog- Wandlers ab. Neben der Auflösung begrenzt dieser auch die Schnellig­ keit einer Sollwertänderung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe eine genaue Positionierung einer Verstelleinrichtung unter Verbesserung der bekannten Vorgehensweise ermöglicht wird, vorzugs­ weise ohne daß der schaltungstechnische Aufwand wesentlich ansteigt.
Dies wird dadurch erreicht, daß das Rechenelement den Sollwert digi­ tal in Form eines impulsförmigen Signals mit wenigstens einem veränderbaren Parameter abgibt, dieser in einen analogen Sollwert umge­ setzt wird, welcher vom analogen Regler zur Positionierung der Ver­ stelleinrichtung eingestellt wird.
Eine derartige Vorgehensweise ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE-P 42 03 191 in Verbindung mit der Stromregelung einer Schrittmotorphase bekannt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise erlaubt die genaue Positio­ nierung einer Verstelleinrichtung, wobei nur geringer Schaltungs­ aufwand erforderlich ist.
Ferner ist vorteilhaft, daß eine digitale Sollwertvorgabe eines Rechenelements beibehalten werden kann, so daß die Vorteile eines Rechenelements in Verbindung mit der Berechnung des Sollwerts wei­ terhin genutzt werden können.
In vorteilhafter Weise kann auf einen Digital-/Analog-Wandler ver­ zichtet werden.
Besondere Bedeutung erhält die erfindungsgemäße Vorgehensweise dadurch, daß eine höhere Auflösung ermöglicht wird, wie sie durch herkömmliche Digital-/Analog-Wandler erreichbar ist.
Durch die Verwendung von Tiefpaßfiltern zweiter oder vierter Ordnung kann die Restwelligkeit des aus dem impulsförmigen Signal mit we­ nigstens einem veränderbaren Parameter ermittelten analogen Soll­ werts in zufriedenstellender Weise reduziert werden.
Vorteilhaft ist ein pulsweitenmoduliertes Signal, bei dem das Rechenelement die Pulslänge, d. h. das Tastverhältnis entsprechend dem berechneten Sollwert vorgibt. Die damit verbundenen Programm­ schritte im Rechenelement sind besonders einfach.
Besonders vorteilhaft ist der einfache, lineare Zusammenhang zwi­ schen dem Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals und des Sollwertes. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist ohne großen Aufwand eine Genauigkeit von 12 Bit möglich.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise in Verbindung mit einem analogen Lageregler zur Einstellung eines Leistungsstellelements, wie einer Drosselklappe oder einer Regelstange, einer Brennkraftmaschine.
Neben der Wahl eines pulsweitenmodulierten Signals mit veränderbarem Tastverhältnis kann in anderen Ausführungen ein impulsförmiges Sig­ nal mit veränderbarer Frequenz und fester Impulsbreite sein.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den abhängigen Ansprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorge­ hensweise, Fig. 2 den Signalverlauf des vom Rechenelement vorgege­ ben Sollwertsignals, während in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Umsetzmittels zur Umsetzung des impulsförmigen Sollwertes in einen analogen Sollwert dargestellt wird.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Fig. 1 ist mit 10 eine Steuereinheit dargestellt, welche wenig­ stens ein Rechenelement umfaßt. Der Steuereinheit 10 werden die Ein­ gangsleitungen 12 bis 14 von Meßeinrichtungen 16 bis 18 zur Erfas­ sung von Betriebsgrößen der Antriebseinheit und/oder des Fahrzeugs zugeführt. Eine Ausgangsleitung 20 der Steuereinheit 10 führt, gege­ benenfalls über Anpaßmittel 22, zu Umsetzmitteln 24. Deren Ausgangs­ signal 26 führt auf den analogen Lageregler 28, dem ferner die Ein­ gangsleitung 30 zugeführt ist. Die Ausgangsleitung 32 des analogen Lagereglers 28 führt auf ein weiteres Umsetzmittel 34, welches über seine Ausgangsleitung 36 mit einer Endstufe 38 verbunden ist. Die Endstufe 38 steuert über ihre Ausgangsleitungen 40 und 41 einen An­ triebsmotor 42, vorzugsweise einen Gleichstrommotor, welcher über eine mechanische Verbindung 44 mit einem Leistungsstellelement 46, insbesondere eine Drosselklappe einer nicht dargestellten Brenn­ kraftmaschine, verbunden ist. Ferner ist der Motor 42 bzw. die Ver­ bindung 44 bzw. die Drosselklappe 46 über eine weitere Wirkverbin­ dung 48 mit einer Meßeinrichtung 50 zur Erfassung der Position des Stellelementes 46 bzw. der Verbindung 44 bzw. des Motors 42 verbunden. Die Ausgangsleitung 30 der Meßeinrichtung 50 führt auf den analogen Lageregler 28. Die zu positionierende Verstelleinrichtung umfaßt je nach Konstruktionsausführung Leitungsstellelement 46, Verbindung 44, Motor 42 und/oder Meßeinrichtung 50.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 dient zur Einstellung der Verstellein­ richtung auf eine vorgegebene Position. Diese wird von der Steuer­ einheit 10 in Abhängigkeit der ihr zugeführten Betriebsgrößen, z. B. auf der Basis von Kennfeldern, Kennlinien, Tabellen oder Gleichun­ gen, bestimmt. Charakteristische Betriebsgrößen sind dabei insbeson­ dere die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements bei einem sogenannten elektronischen Gaspedalsystem, Motortemperatur, Motordrehzahl, Batteriespannung, Motorlast, etc. bei einer Leerlauf­ regelung, Fahrgeschwindigkeit und Betätigungssignale eines Bedienhe­ bels bei Fahrgeschwindigkeitsreglern, Raddrehzahl bei Antriebs­ schlupfregelsystemen, etc. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann in vorteilhafter Weise im Zusammenhang mit all diesen Anwendungen eingesetzt werden. Ein bevorzugter Anwendungsfall stellt eine elek­ tronische Motorleistungsteuerung mit elektrischem Gaspedal, Leer­ laufregelung, Fahrgeschwindigkeitsregelung und Antriebsschlupfrege­ lung über die Positionierung des Stellelements mit einem analogen Lageregler dar.
Der berechnete Sollwert wird vom Rechner 10 in ein impulsförmiges vorzugsweise pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal umgesetzt. Dabei wird vom Rechner das Tastverhältnis des Signals bestimmt, indem z. B. die Impulslänge oder das zeitliche Ende des Impulses innerhalb der vorgegebenen Periodendauer des impulsförmigen Signals bestimmt wird.
Ein solches Signal ist in Fig. 2 skizziert, wobei waagrecht die Zeit, senkrecht der Signalpegel des von der Steuereinheit 10 auf der Leitung 20 ausgegebenen Signals (PWM) aufgezeichnet ist. Die Perio­ dendauer T0 ist dabei fest vorgegeben, während die Impulsbreite t bzw. daß Tastverhältnis t/T0 je nach Betriebsgrößen von dem Re­ chenelement bestimmt wird. Mit anderen Worten wird die gewünschte Position der Verstelleinrichtung von der Steuereinheit auf digitale Weise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgegeben. Das Tast­ verhältnis (t/T0) dieses Signals steht dabei vorzugsweise in linearem Zusammenhang zu dem durch Umsetzung (im Element 24) aus dem Signal PWM gebildeten Sollwert U1 des analogen Lagereglers und so­ mit auch im wesentlichen im linearen Zusammenhang zur Position der Verstelleinrichtung, im bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Position der Drosselklappeneinheit in einem Winkelbereich von ca. 0 bis 90°.
In anderen vorteilhaften Ausführungen kann als vom Rechenelement erzeugtes digitales Sollwertsignal ein impulsförmiges Signal mit gemäß den Betriebsgrößen variabler Periodendauer T0 und fester Impulsbreite t, mit fester Periodendauer T0 und variabler Zeit (T0 - t), ein sägezahnförmiges Signal fester Periodendauer und variabler Steigung (unter Vorgabe der Anstiegszeit) oder variabler Periodendauer, oder um ein dreieckförmiges Signal handeln.
Das vom Rechner gebildete pulsweitenmodulierte Signal wird gegebe­ nenfalls über ein Pegelanpassungselement 22 geführt, welches eine Pegelanpassung und/oder eine Pegelbegrenzung je nach Anwendungsfall durchführt, um den Ausgangsspannungspegel der Steuereinheit auf die Genauigkeit der Anwendung anzupassen. Dies deshalb, weil der später folgende analoge Lageregler 28 die Positionierung der Verstellein­ richtung nach absoluten Signalwerten vornimmt. Die Genauigkeit der Positionierung steigt daher mit steigendem Ausgangssignalpegel. Fer­ ner kann es notwendig sein, daß ein Maximalpegel eingehalten werden muß, der vom Lageregler verarbeitet werden kann.
Nach der Pegelanpassung wird das pulsweitenmodulierte Signal den Um­ setzmitteln 24 zugeführt, welche das pulsweitenmodulierte Signal in ein analoges Spannungssignal U1 umformen. Diese Umsetzmittel 24 umfassen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel diskret aufgebaute Filtermittel bzw. Integratoren, deren Aufbau und Dimensionierung je nach Anwendungsfall mit Blick auf Dynamik und Restwelligkeit des Signals U1 gewählt werden. Es hat sich gezeigt, daß als Umsetzmit­ tel besonders Tiefpaßfilter geeignet sind. Dabei können je nach An­ wendungsfall aktive oder passive Tiefpaßfilter verschiedener Ordnun­ gen gewählt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat es sich gezeigt, daß ein Tiefpaßfilter vierter Ordnung, wie z. B. das in Fig. 3 dargestellte, gute Ergebnisse bezüglich Restwelligkeit und Dynamik bei Änderung des pulsweitenmodulierten Signals ergibt.
Andere Filtermittel oder Integratoren können in anderen Ausführungs­ beispielen ebenso vorteilhafte Wirkungen zeigen.
Das analoge Spannungssignal U1 wird über die Leitung 26 als Lage­ sollwert dem analogen Lageregler 28 zugeführt, welcher in bekannter Weise z. B. aus Operationsverstärkern aufgebaut ist und je nach An­ wendungsfall proportionales, integrales und/oder differentielles Verhalten zeigt. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zeigt ihre Vor­ teile jedoch auch in Verbindung mit anderen Reglertypen, wie z. B. Zweipunkt- oder Dreipunktregler, etc . . Im analogen Lageregler 28 wird aus dem Sollwert U1 und der durch die Meßeinheit 50 erfaßten Stellung der Verstelleinrichtung U2 (Istwert) ein Maß für die Soll-/Istwertdifferenz U3 gebildet, welches als Reglerausgangs­ signal dem Umsetzmittel 34 zugeführt wird. Dort wird die analoge Spannung U3 wieder in ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal umgesetzt und von dort über die Leitung 36 der Endstufenschaltung 38 zugeführt. Die Umsetzmittel 34 bilden das pulsweitenmodulierte Sig­ nal z. B. in der bekannten Weise mittels eines Vergleichs des analo­ gen Spannungssignals U3 mit einem Spannungswert, welcher zeitlich einen sägezahnförmigen oder dreieckförmigen Verlauf mit fester Pe­ riodendauer aufweist.
Das pulsweitenmodulierte Signal 36 steuert im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel eine Vollbrückenendstufe 38 zur Steuerung eines Gleichstrommotors getaktet an, wobei der Gleichstrommotor 42 solange in Richtung der gewünschten Position bewegt wird, bis die Soll-Ist­ wertdifferenz im wesentlichen zu Null wird, das heißt die gewünschte Position erreicht ist.
Das Meßelement 50, welches die Position der Verstelleinrichtung er­ faßt, kann im einfachsten Fall als Potentiometer, in anderen Anwen­ dungsfällen als berührungsloser Lagesensor ausgeführt sein.
Neben dem bevorzugten Anwendungsbeispiel einer Lageregelung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch im Zusammenhang mit Lageregelungen mit Schritt­ motoren, Drehsteller oder im Zusammenhang mit Klimaanlagen, Regel­ stangen oder Einspritzpumpenhebeln vorteilhaft eingesetzt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise der digitalen Soll­ wertvorgabe durch ein impulsförmiges Signal mit wenigstens einem veränderbaren Parameter in Verbindung mit anderen analog aufgebauten Reglern bei Fahrzeugen, wie Drehzahlregler, Druckregler, Luftmengen­ regler etc. angewendet werden.
Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Umsetzmittels 24, ein aktives Tiefpaßfilter vierter Ordnung. Am Eingang 100 des Umsetzmittels 24 liegt das pulsweitenmodulierte Signal PWM der Steu­ ereinheit 10, gegebenenfalls pegelangepaßt bzw. begrenzt, an und wird über einen Widerstand R1, einen Verknüpfungspunkt 102, einen Widerstand R2, einen Verknüpfungspunkt 104 auf den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 106 geführt. Vom Verknüpfungspunkt 104 führt ein Kondensator C1 gegen Masse. Der Ausgang des Operationsver­ stärkers 106 führt auf einen Verknüpfungspunkt 108 von dem ein Kon­ densator C2 zum Verknüpfungspunkt 102 geschaltet ist, während eine Leitung 110 zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 106 zu­ rückgeführt ist. Ferner geht vom Verknüpfungspunkt 108 ein dritter Widerstand R3 über einen Verknüpfungspunkt 112, einen vierten Wider­ stand R4, einen Verknüpfungspunkt 114 zum positiven Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 116. Vom Verknüpfungspunkt 114 ist ein Kondensator C3 gegen Masse geschaltet. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 116 führt auf einen Verknüpfungspunkt 118, von welchem ein Kondensator C4 zum Verknüpfungspunkt 112 geschaltet ist, eine Leitung 120 zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 116 zu­ rückführt sowie ein fünfter Widerstand R5 gegen Masse führt. Ferner liegt am Verknüpfungspunkt 118 der Ausgang U1 des Umsetzmittels 24.
Die angegebene Schaltung stellt einen Tiefpaß vierter Ordnung dar. Untersuchungen haben ergeben, daß die Restwelligkeit des Signals U1 bei einem Signalpegel des PWM-Signals von ca. 5 Volt und geeigneter Auswahl und Dimensionierung der Schaltungselemente bei ca. 100 Mikrovolt liegt. Im Vergleich dazu zeigt das entsprechend aufgebaute Tiefpaßfilter zweiter Ordnung (R3, R4, C3, C4, R5, Operationsver­ stärker 116) bei gleichem PWM-Signalpegel eine Restwelligkeit von ca. 20 Millivolt, jeweils im eingeschwungenen Zustand. Für Anwen­ dungen mit hoher Auflösung und geringer Restwelligkeit ist daher ein Tiefpaßfilter vierter Ordnung eine bevorzugte Ausführung des Umsetz­ mittels 24, in anderen Ausführungen kann ein Filter zweiter Ordnung genügen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Positionierung einer Verstelleinrichtung, welche elektrisch betätigbar ausgebildet ist,
  • - mit einem Einstellmittel, welchem wenigstens ein die gewünschte Position repräsentierendes Signal zugeführt wird,
  • - mit wenigstens einem Rechenelement, welches das die gewünschte Po­ sition repräsentierendes Signal auf der Basis von Betriebsgrößen er­ zeugt
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das die gewünschte Position repräsentierende Signal ein impuls­ förmiges Signal mit wenigstens einem veränderlichen Parameter darstellt, welches vom wenigstens einen Rechenelement erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verän­ derliche Parameter des impulsförmigen Signals dessen Impulsbreite bei fester Periodendauer, die Periodendauer bei fester Impulsbreite oder das Tastverhältnis darstellt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Umsetzmittel vorgesehen sind, welche aus dem impulsförmigen Signal ein analoges Spannungssignal bilden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umsetzmittel Filtermittel sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umsetzmittel Tiefpaßfilter, vorzugsweise vierter Ordnung, darstellen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das wenigstens eine Rechenelement auf der Basis von Betriebsgrößen das impulsförmige Signal erzeugt, wobei der veränderliche Parameter entsprechend den Betriebsgrößen bestimmt wird, das impulsförmige Signal durch die Umsetzmittel in ein ana­ loges Signal umgewandelt wird, welches die gewünschte Position der Verstelleinrichtung repräsentiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einstellmittel auch einen analogen Lageregler umfassen, welchem das analoge Signal für die gewünschte Position so­ wie ein die Stellung der Verstelleinrichtung repräsentierendes Ist­ wertsignal zugeführt wird und welcher ein Maß für die Soll-/Istwert­ abweichung ermittelt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangssignal des analogen Lagereglers zur Ansteuerung der elektrisch betätigbaren Verstelleinrichtung in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrisch betätigbare Verstelleinrichtung eine Drosselklappe eines Kraftfahrzeugs ist, welche über einen elektrischen Motor, einen Gleichstrommotor oder Drehsteller, betä­ tigt wird.
10. Vorrichtung zur Positionierung einer Verstelleinrichtung, welche elektrisch betätigbar ausgestaltet ist,
  • - mit wenigstens einem Rechenelement zur Erzeugung eines die gewünschte Position der Verstelleinrichtung repräsentierenden Signals,
  • - mit Einstellmittel, welche die gewünschte Position durch Betäti­ gung der Verstelleinrichtung einstellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das vom Rechenelement erzeugte Signal ein impulsförmiges Signal mit wenigstens einem veränderbaren Parameter darstellt, wobei die Größe des wenigstens einen veränderlichen Parameters ein Maß für die gewünschte Position ist.
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