DE4429581C1 - Steuereinheit mit Stellmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit mit Stellmotor, der an ein translatorisch oder ro­ tatorisch bewegtes Abnehmerteil angekuppelt ist, bestehend aus einer Steuerung, die mittels Steuer­ signalen ggf. über eine Leistungsstufe den Stellmo­ tor ansteuert, sowie einem Geberteil.

Zur Umsetzung von rotatorischen oder translatori­ schen Bewegungsabläufen werden oftmals mechanische Getriebe eingesetzt. Sie werden verwendet zur Um­ setzung von Drehzahlen und Drehmomenten oder aber zur Umsetzung von Bewegungsabläufen. So lassen sich z. B. durch Kurvenscheibengetriebe gleichförmige ro­ tatorische Bewegungen in translatorische umformen, wobei die Bewegungsfunktion durch das radiale Pro­ fil der Kurvenscheibe gegeben ist. Selbstverständ­ lich braucht die Bewegung der Antriebswelle nicht gleichförmig zu sein, wodurch sich, gegebenenfalls durch Kombination mehrerer Getriebe, auch komple­ xere Bewegungsumsetzungen realisieren lassen. Trotz dieser augenscheinlichen Vielfalt ist es nicht oder zum Teil nur sehr schwer möglich, alle gewünschten Umsetzungen durch mechanische Getriebe zu errei­ chen. Ein weiterer Nachteil ist, daß mechanische Getriebe unflexibel sind, weil sich eine Änderung der Bewegungsfunktion nur durch das Auswechseln me­ chanischer Teile (wie z. B. der Kurvenscheibe) er­ reichen läßt, was zeitaufwendig und personalinten­ siv ist. Gerade bei Kleinserienfertigung fällt diese Unflexibilität besonders ins Gewicht. Es ist ferner bekannt, bestimmte Bewegungsabläufe durch Stellmotoren zu realisieren, die über eine Steuerung angesteuert werden, wodurch die Bewegun­ gen verändert werden können, ohne daß mechanische Teile auszutauschen sind. Dabei wird vielfach der Betriebszustand des Stellmotors oder einer von ihm gesteuerten Vorrichtung sensorisch erfaßt und bei der Steuerung berücksichtigt, um beispielsweise Einflüsse wechselnder Belastungen oder von Ferti­ gungstoleranzen auszugleichen (US 4 785 780). Ge­ steuerte Bewegungen abhängig von anderen sich bewe­ genden mechanischen Teilen sind dagegen lediglich im gattungsfremden Bereich einer Treibstoff-Ein­ spritzvorrichtung bekannt (US 4 443 852). Es ist folglich nicht möglich, mit den bekannten Ansteue­ rungen für Stellmotoren ein Getriebe nachzubilden.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Stellmotor so anzusteuern, daß ein Getriebe nachgebildet wird und daß die Bewegungsum­ setzung der Getriebenachbildung ohne den Austausch mechanischer Teile modifiziert oder ersetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß ein oder mehrere Sensoren vorhanden sind, die den Betriebszustand (Winkelposition und/oder Dreh­ zahl bzw. Position und/oder Geschwindigkeit) des Geberteils erfassen und mittels Sensorsignalen an die Steuerung übermitteln, die Steuerung den Sen­ sorsignalen über eine Zuordnungsfunktion einen Be­ triebszustand zuordnet und daraus Steuersignale be­ rechnet, so daß das Abnehmerteil den zugeordneten Betriebszustand einstellt.

Die Steuereinheit mit dem Stellmotor wirkt analog einem mechanischen Getriebe. Die Geschwindigkeit und/oder die Position des Geberteils wird von Sen­ soren erfaßt und von der Steuereinheit in Steuersi­ gnale für den Stellmotor umgesetzt, der mit dem Ab­ nehmerteil verbunden ist. Nur eine Rückwirkung vom Abnehmerteil zum Geberteil wie beim mechanischen Getriebe besteht bei dieser Nachbildung nicht. Die Erfindung hat den Vorteil, daß selbst komplizierte Bewegungsumsetzungen realisiert werden können, die mit mechanischen Getrieben nicht oder nur sehr auf­ wendig erreicht werden können.

Die meisten der über Stellmotoren angetriebenen Be­ wegungsabläufe haben den Nachteil, daß sie einen bedeutenden Schleppfehler aufweisen, der seine Ur­ sache in der Rechenzeit der Steuerung und vor allem darin hat, daß die vom Stellmotor angetriebene Masse bei der Berechnung der Steuersignale nicht berücksichtigt wird oder nicht berücksichtigt wer­ den kann, weil der Stellmotor eine wechselnde Last antreibt. Es ist daher sinnvoll, die Steuerung in einen Regelkreis einzubinden, mit dem auf Steuerab­ weichungen unmittelbar reagiert werden kann, was gegenüber der Rechenmethode sehr viel flexibler ist. Der Soll-Wert der Regelung ist durch die vor­ gegebene Bewegungsumsetzung (Zuordnungsfunktion) gegeben, der Ist-Wert wird von Abnehmersensoren am Abnehmerteil gemessen, woraus die Steuerung die Stellgröße, d. h. das Steuersignal für den Stellmo­ tor, berechnet.

Manche mechanische Getriebe (wie z. B. das Kurven­ scheibengetriebe) weisen eine Weg-Weg-Zuordnung vom Geber- zum Abnehmerteil auf. Da diese Weg-Weg-Zu­ ordnung für viele Betriebsabläufe bedeutend ist, bildet eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung eine exakte Weg-Weg-Zuordnung nach.

Bei anderen Getriebearten kommt es nicht auf die Weg-Weg-Zuordnung, sondern auf die Drehzahlumset­ zung (wie z. B. beim Fahrzeuggetriebe) an. Der Un­ terschied zur Weg-Weg-Zuordnung besteht darin, daß nach einem Auskuppeln die vorhergehende Relation zwischen der Position der Geber- und der Abnehmer­ welle nicht mehr hergestellt werden muß. In einer alternativen Ausgestaltungsform ist daher eine Ge­ schwindigkeits-Geschwindigkeits- Zuordnung reali­ siert.

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, den Sollbe­ triebszustand des Abnehmerteils zu ermitteln. Ent­ weder wird aus dem Betriebszustand des Geberteils mittels einer mathematischen Formel der Betriebszu­ stand für das Abnehmerteil berechnet oder der Be­ triebszustand wird aus einer Funktionstabelle aus­ gelesen. Bei der Entscheidung, welche Möglichkeit realisiert wird, müssen der Speicherplatzbedarf, der Rechenzeitbedarf und der Programmieraufwand ab­ gewägt werden.

In einer Weiterbildung ist der Stellmotor analog einem mechanischen Getriebe auskuppelbar, d. h., daß er in den Leerlauf geschalten werden kann, was z. B. den Vorteil mit sich bringt, daß wahlweise einzelne Abnehmerteile, die von ein und dem selben Geberteil abhängen, abgeschalten werden können.

Um die Flexibilität der Steuerung zu erhöhen, sind von einer Bedientastatur mehrere Bewegungsabläufe (Zuordnungsfunktionen) auswählbar, wodurch ohne langwieriges Auswechseln mechanischer Teile von ei­ ner Bewegungsumsetzung in die andere geschalten werden kann. Unter Umständen kann es auch sinnvoll sein, verschiedene Programme oder Parameter zur Auswahl zu haben, um z. B. verschiedenartigen Bela­ stungen des Abnehmerteils Rechnung tragen zu kön­ nen. So kann z. B. die vom Stellmotor angetriebene Masse als Programmparameter gegeben sein.

Sinnvollerweise sind solche Speicherinformationen einzeln in Modulen enthalten, die z. B. in die Steuereinheit einsteckbar sind, wodurch - ohne daß viel Speicherbereich in der Steuerung selbst von Nöten ist - ein breites Spektrum von Bewegungsfunk­ tionen und Programmen bereitgehalten werden kann. Außerdem sind diese Informationen auch von einer zu der anderen Steuerung transferierbar.

Besonders komfortabel gestaltet sich der Umgang mit den Speicherdaten, wenn diese in Schreib-Lese-Spei­ chern abgelegt sind. Die Zuordnungsfunktionen, Pro­ gramme oder Parameter können dann direkt über die Bedientastatur erstellt, geladen, gelöscht, modifiziert und/oder von oder zu einer anderen Steuerung über­ spielt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuer­ motor ein Elektromotor, der auch als Linearmotor ausgeführt sein kann, wodurch direkt und ohne Um­ setzung eine translatorische Bewegung erzeugt wer­ den kann.

Bei vielen Anwendungen für eine Weg-Weg-Zuordnung ist selbst im Auslauf ein strenger Synchronismus er­ forderlich, wie sie bei mechanischen Getrieben auf jeden Fall gegeben ist. Ein solcher Synchronismus kann bei einer elektronischen Steuerung und ggf. bei einem elektrisch angetriebenen Stellmotor nicht ohne weiteres sichergestellt werden. Solche Fälle können z. B. ein Netzausfall oder eine Notabschal­ tung sein, die zu einem Zusammenbruch der Versor­ gungsspannung führen. Deshalb weist eine bevorzugte Ausgestaltungsform der Erfindung eine Notspannungs­ versorgung auf, die z. B. aus Akkumulatoren oder Kondensatoren besteht und die die strenge Weg-Weg- Zuordnung auch im Auslauf sicherstellt.

In einer sinnvollen Ausführungsform stellen die Steuerung, die Speicher und ggf. die Leistungsstufe eine funktionelle Einheit mit einer gemeinsamen Zentralprozessoreinheit dar, was die Herstellung und den Einbau des Steuergerätes erheblich verein­ facht. Die Zentralprozessoreinheit kann und wird in aller Regel mehrere Prozessoren umfassen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung entnehmen, das anhand der Zeichnung näher erläu­ tert wird.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung als Blockdiagramm eine erfindungsgemäße Steuerung (1) mit seinen Ein- und Ausgängen. Die Position und/oder die Geschwindigkeit der Geberwelle wird von einem Sensor (2) gemessen und an die Steuerung (1) weitergeleitet. Die Steuerung (1) verarbeitet die Signale des Sensors (2) und berechnet daraus Ausgangssignale, durch die ein Stellmotor (3) ange­ steuert wird. Über einen Abnehmersensor (4) erhält die Steuerung (1) Rückmeldung über die Position und/oder Geschwindigkeit des Abnehmerteils und ver­ wendet die Werte zur Korrektur jener Position. Im Ergebnis ergibt sich dadurch ein Regelkreis für die Position des Abnehmerteils. An einem weiteren Ein­ gang des Regelgeräts ist eine Bedientastatur (5) zur Auswahl oder Modifikation von Speicherinhalten angeschlossen.

Claims (17)

1. Steuereinheit mit Stellmotor, der an ein trans­ latorisch oder rotatorisch bewegtes Abnehmerteil angekuppelt ist, bestehend aus einer Steuerung, die mittels Steuersignalen ggf. über eine Leistungs­ stufe den Stellmotor ansteuert, sowie einem Geber­ teil, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein oder mehrere Sensoren (2) vorhanden sind, die den Betriebszustand (Winkelposition und/oder Dreh­ zahl bzw. Position und/oder Geschwindigkeit) des Geberteils erfassen und mittels Sensorsignalen an die Steuerung (1) übermitteln,
• - die Steuerung (1) den Sensorsignalen über eine Zuordnungsfunktion einen Betriebszustand zuordnet und daraus Steuersignale berechnet, so daß das Ab­ nehmerteil den zugeordneten Betriebszustand ein­ stellt.

2. Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuordnungsfunktion zusätzlich eine Schleppfehlerkorrektur beinhaltet.

3. Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) in einen Re­ gelkreis eingebunden ist, wobei der Funktionswert der Zuordnungsfunktion die Führungsgröße (Soll- Wert), der von Abnehmersensoren (4) gemessenen Be­ triebszustand des Abnehmerteils oder nachgeschal­ tete Bewegungsabläufe die Regelgröße (Ist-Wert) und das Steuersignal die Stellgröße darstellen.

4. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungsfunktion eine Weg-Weg-Zuordnung durchführt.

5. Steuereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuordnungsfunktion ein mechani­ sches Kurvenscheibengetriebe nachbildet.

6. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungsfunktion eine Geschwindigkeits-Geschwindigkeits-Zuordnung durchführt.

7. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) den Funktionswert der Zuordnungsfunktion nach einer ma­ thematischen Formel berechnet.

8. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1) den Funktionswert der Zuordnungsfunktion aus einer Funktionstabelle ausliest.

9. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (3) un­ abhängig von den Steuersignalen in den Leerlauf schaltbar und wieder in den gesteuerten bzw. gere­ gelten Betrieb zurückschaltbar ist.

10. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß gegebenenfalls mehrere alternative Zuordnungsfunktionen (als Funktionsta­ belle oder mathematische Formel), Programme zur Be­ rechnung der Steuersignale oder Parameter, auf die die Programme zugreifen, in permanenten Speichern oder Schreib-Lese-Speichern abgespeichert und mit­ tels einer Bedientastatur (5) auswählbar sind.

11. ,Steuereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Speicher als Module austauschbar sind.

12. Steuereinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher zumin­ dest teilweise als Schreib-Lese-Speicher ausgeführt sind und daß die darin abgespeicherten Zuordnungs­ funktionen, Programme oder Parameter erstellbar, ladbar, löschbar, modifizierbar oder auf andere Ge­ triebevorrichtungen überspielbar sind.

13. Steuereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Erstellen, Laden, Löschen, Modi­ fizieren und/oder Überspielen von der Bedientasta­ tur (5) durchführbar ist.

14. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (3) ein Elektromotor ist.

15. Steuereinheit nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stellmotor (3) ein Linearmotor ist.

16. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine zentrale Energiever­ sorgung mit einem Anschluß an das elektrische Netz und mit Energiespeichern (z. B. Akkumulatoren oder Kondensatoren), die bei einem Netzausfall oder bei einer Versorgungsspannungsunterbrechung (insbesondere durch Notabschaltung) die Synchroni­ sation nach der Zuordnungsfunktion während des Aus­ laufs bis zum Stillstand gewährleistet.

17. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (1), die Speicher und gegebenenfalls die Leistungsstufe eine funktionelle Einheit darstellen und eine ein­ zige Zentralprozessoreinheit aufweisen.