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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Formgedächtnisaktoren
des Typs, die wenigstens ein Formgedächtniselement enthalten, das
seine Form bei Änderung
seiner Temperatur über
einen Übergangswert
hinaus ändern
kann, sowie Mittel zum Speisen eines elektrischen Stroms durch das Formgedächtniselement,
um eine Änderung
seiner Temperatur zu bewirken.
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Formgedächtniselemente
sind seit langem bekannt und werden auf verschiedenen Gebieten der Technik
verwendet. Sie nutzen die Eigenschaft einiger Metalllegierungen,
die eine Zustandsänderung erfahren
können,
wenn sich die Temperatur über
einen Übergangswert
hinaus ändert.
Der Anmelder ist der Inhaber mehrerer Patente und Patentanmeldungen,
die Anwendungen von Formgedächtnisaktoren in
vielen Bereichen, wie beispielsweise dem Automobilbereich, zum Steuern
von Türschlössern von
Kraftfahrzeugen, von Verteilungseinrichtungen in Klimaanlagensystemen
für Kraftfahrzeuge,
von Einstelleinrichtungen für
Rückspiegel
und so weiter, betreffen. Der Anmelder hat insbesondere Formgedächtnis-Drahtaktoren
vorgeschlagen (entweder Aktoren aus elastischem Draht oder Aktoren
aus festem Draht), das heißt,
unabhängige
Einrichtungen, die in mehreren Bereichen zum Steuern von beweglichen Elementen
eingesetzt werden können
(siehe beispielsweise WO 03/003137 A1).
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Verfahren
und Systeme des in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und
10 angegebenen Typs sind aus
US
4 930 494 und
US 6 323
459 bekannt.
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Der
Vorteil von Formgedächtnisaktoren
besteht darin, dass sie über
eine relativ einfache und preiswerte Struktur verfügen, klein
sind und einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Durch den Anmelder
durchgeführte
Studien und Tests hinsichtlich einer breiten Anwendung von Formgedächtnisaktoren,
beispielsweise zum Steuern einer Reihe von Betätigungselementen in einem Kraftfahrzeug,
haben die Notwendigkeit und den Vorteil der Entwicklung von Steuersystemen
und -verfahren aufgezeigt, die eine weitere Verbesserung der Effizienz
und der Vorteile der Aktoren ermöglichen.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System
entsprechend den Patentansprüchen
1 und 10.
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Es
ist offensichtlich, dass im Rahmen des Grundprinzips mehrere vorteilhafte
Strategien ausgeführt
werden können.
Nehmen wir beispielsweise den Fall an, wobei das Öffnen eines
Kraftfahrzeug-Türschlosses
sowohl manuell durch Wirken auf einen Griff, als auch elektrisch
durch Aktivieren eines Formgedächtniselementes
(siehe beispielsweise WO 03/003137 A1) gesteuert werden kann. In
einer Ausführungsform,
die bereits durch den Anmelder implementiert wurde, fließt ein elektrischer
Strom für eine
gegebene Zeit von ungefähr
einigen Millisekunden durch das Formgedächtniselement des Aktors. Das
Detektieren des Öffnens
des Türschlosses
bewirkt die automatische Unterbrechung des Stromimpulses. Durch
dieses Verfahren wird weder die Rationalisierung noch die Optimierung
des Systems gewährleistet,
weder hinsichtlich des Energieverbrauchs noch hinsichtlich des Schutzes
des Aktors vor möglichen
Schäden.
In Übereinstimmung
mit der Erfindung ist im Gegensatz dazu vorgesehen, beispielsweise
die Dauer des Stromimpulses, mit dem das Formgedächtniselement versorgt wird,
als eine Funktion der detektierten Umgebungstemperatur einzustellen.
Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur höher ist, ist der Stromimpuls,
der erforderlich ist, um das Formgedächtniselement auf seine Übergangstemperatur
zu bringen, niedriger und/oder kürzer.
Wenn darüber
hinaus beispielsweise die durch das System detektierte Temperatur
des Formgedächtniselementes
höher ist,
ist der erforderliche Stromimpuls wieder kürzer, wobei, falls erforderlich, ebenfalls
eine kurze Verzögerung
(von ungefähr
einigen Millisekunden) bei der Aktivierung des Stromimpulses vorgesehen
ist, wenn die detektierte Temperatur des Aktorelementes derart ist,
dass das Element möglicherweise
auf Grund von Überhitzung
beschädigt
werden könnte.
Wenn ferner entsprechend einer weiteren möglichen Strategie beispielsweise der
Motor eines Kraftfahrzeuges bei einer sehr niedrigen Temperatur
gestartet wird, kann das Detektieren einer entsprechend niedrigen
Temperatur des Aktorelementes automatisch eine Vorwärmeinrichtung
für das
Formgedächtniselement
aktivieren, um sicherzustellen, dass, wenn der Aktor aktiviert wird, er
bereits eine nicht zu geringe Temperatur hat.
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Es
ist offensichtlich, dass dies lediglich mögliche Beispiele der verschiedenen
Strategien sind, die in Übereinstimmung
mit der Erfindung im Rahmen des vorangehend offenbarten Grundprinzips
zu verwenden sind. Darüber
hinaus kann, wenn die Erfindung in ei nem System angewendet werden
soll, das eine Vielzahl von Formgedächtnisaktoren umfasst, beispielsweise
in demselben Kraftfahrzeug, die elektrische Versorgungsspannung
für die
verschiedenen Aktoren in Abhängigkeit
von deren Betriebsbedingungen geändert
werden.
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Dank
der Steuerung des Impulstyps, mit dem die Formgedächtnisaktoren
zu versorgen sind, durch die Evaluierung der Umgebungsbedingungen,
kann folglich eine Reihe von Ergebnissen erzielt werden:
Optimierung
der Lebensdauer der Aktoren,
Minimierung des Energieverbrauchs
mit derselben Funktion,
Optimierung und Konstanthaltung der
Wahrnehmung der Funktionsmerkmale durch den Benutzer.
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Die
Evaluierung der Umgebungsbedingungen kann unmittelbar vor der Stellbewegung
oder periodisch durchgeführt
werden, wobei im Fall der Stellbewegung die berechneten und in dem
Speicher gespeicherten anwendungsfertigen Parameter verwendet werden
(der Zeitraum sollte in Abhängigkeit
von den Anforderungen in Bezug auf spezifische Stellbewegungen,
der Berechnungskapazität
des Systems sowie den Fahrzeugsteuerungsforderungen insgesamt definiert
werden).
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Im
Folgenden wird die Erfindung in Bezug auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, die als nicht einschränkendes Beispiel bereitgestellt
werden und wobei:
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die 1, 2 und 3 drei
Diagramme für
drei verschiedene Strategien zum Verwenden des Systems in Übereinstimmung
mit der Erfindung sind, und
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die 4, 5, 6, 7 und 8 Diagramme
sind, die ebenfalls die Steuerkriterien darstellen, die mittels
des Systems und des Verfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung
implementiert werden können.
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1 ist
ein Diagramm, das die Anwendung eines Systems in Übereinstimmung
mit der Erfindung für
das Steuern einer Vielzahl von Formgedächtnisaktoren 1 darstellt,
die an Bord eines Kraftfahrzeugs 2 installiert sind. Die
Aktoren 1 können
Aktoren zum Wirken auf die Türschlösser von
Kraftfahrzeugen, Aktoren zum Steuern von beweglichen Elementen für die Luftverteilung
in einem Klimaanlagensystem eines Kraftfahrzeugs, Aktoren zum Steuern
von mobilen Elementen, wie beispielsweise von Außenrückspiegeln des Kraftfahrzeugs
und so weiter, umfassen. Die Aktoren 1 werden durch die
Versorgungsbatterie des bordeigenen elektrischen Stromkreises mit
elektrischen Stromimpulsen versorgt, mit dem Eingriff einer zentralen
Steuereinheit 3, die als Eingang eine Vielzahl von Signalen 4 von
der Sensoreinrichtung empfängt,
welche eine Vielzahl von Umgebungsparametern, wie beispielsweise
die Außentemperatur,
die Temperatur der Formgedächtniselemente
der Aktoren 1 und die von der Batterie verfügbare elektrische
Versorgungsspannung detektiert. Auf Basis der Signale 4 stellt
die zentrale Steuereinheit 3 die Intensität und die
Dauer von Stromimpulsen, mit denen die Aktoren 1 versorgt
werden, unter Verwendung mehrerer möglicher Strategien ein.
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Das
System in Übereinstimmung
mit der Erfindung kann ferner mit einer zentralen oder dezentralen
Struktur entsprechend mehreren möglichen
im Folgenden offenbarten Systemarchitekturen implementiert werden. 2 ist
ein Diagramm einer ersten möglichen
Architektur des Systems in Übereinstimmung
mit der Erfindung. Die Datenübertragung
findet auf einer Datenleitung statt, die für alle im Folgenden beschriebenen
Fälle eine
CAN-, LIN- oder Bluetooth-Leitung oder eine andere drahtlose oder ähnliche
Leitung sein kann. In Bezug auf 2 bezeichnet
die Nummer 5 eine elektronische Zentraleinheit, die als
zentraler Knoten fungiert, und ein oder mehrere Signale 4 von
einem Sensor 6 empfängt
und Versorgungsimpulse 7 zu einer Vielzahl von Formgedächtnisaktoren 1 sendet.
Letztere sind mit weiteren Sensoreinrichtungen assoziiert (die beispielsweise die
Temperatur des Materials, aus dem die Formgedächtniselemente hergestellt
sind, durch eine Evaluierung der intrinsischen Merkmale, wie beispielsweise
des spezifischen Widerstandes, vor einer Stellbewegung detektieren),
die deshalb Signale 8 als Ausgang von den mit den Formgedächtniselementen
assoziierten Sensoren zu der Zentraleinheit 5 senden. Nummer 9 bezeichnet
eine Datenleitung und Nummer 9 bezeichnet eine Versorgungsleitung.
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Demzufolge
ist in dem System gemäß 2 lediglich
eine Zentraleinheit 5 vorhanden, welche die Umgebungsparameter
sowie periphere Rückmelde- oder
Sicherheitssignale erfasst und/oder berechnet, und dementsprechend
den Leistungsimpuls direkt zu allen Aktoren 1 sendet.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Systems. In dieser Figur werden dieselben Nummern für dieselben
Elemente wie in 2 verwendet. Der Hauptunterschied
bezüglich
der Architektur von 1 besteht darin, dass hier,
zusätzlich
zu der Zentraleinheit 5, ebenfalls elektronische periphere
Einrichtungen 11 vorhanden sind. Auch in diesem Fall erfolgt
die Steuerung zentral mit der Datenübertragung und dem Datenempfang über die
Datenleitung. Der Ausgangsimpuls wird durch die peripheren Einrichtungen 11 erzeugt,
die eine Reihe von Stellbewegungen mit einer Reihe von Sensoren
und damit assoziierten Aktoren gruppieren.
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Die
Stellbewegungslogik und -koordination in dem Kraftfahrzeug (beispielsweise
zum gleichzeitigen Verriegeln der Türschlösser) werden durch den Zentralknoten
implementiert.
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Die
Architektur von 4 ist grundlegend dieselbe wie
die von 3, sie verfügt jedoch über die lokalen Knoten 11 (Türknoten),
die lediglich die lokale Steuerungslogik mehrerer Aktoren koordinieren, wobei
der Leistungsimpuls durch das elektronische System des Aktors (Aktorknoten),
das mit der Batterie verbunden ist, zu der Datenleitung und den
lokalen Sensoren, falls vorhanden, erzeugt wird.
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Die
Strategien, die für
die Aktorsteuerung implementiert werden können, können entsprechend verschiedenen
Typen, sowohl in Bezug auf den Stellbewegungsmodus als auch in Bezug
auf den Versorgungsimpuls, klassifiziert werden. Mehrere Typen von
Stellbewegungen können
als eine Funktion von Zeit und Rückmeldung
implementiert werden.
- -zeitlich festgelegter
Impuls, unabhängig
von einem Positionsrückmeldesignal:
der Versorgungsimpuls des Aktors wird für eine gegebene Dauer beibehalten
und am Ende dieser Dauer unterbrochen, ohne die durch den Aktor
erreichte Position zu prüfen.
Dies ist der bevorzugte Fall für
das Steuern von Aktoren, die als mechanische Haken oder als bistabile
Schalter dienen. 5 zeigt das entsprechende Diagramm
der Stellbewe gung. Linie A bezieht sich auf die durch den Aktor
in der Vorgabezeit gesteuerte Verschiebung des Elementes, und Linie
B bezieht sich auf den durch die elektronische Steuereinheit zeitlich
festgelegten Versorgungsimpuls. Der Punkt C auf der Linie A entspricht
der Position der erreichten Stellbewegung. Nach dem Erreichen des
Punktes C wird der Versorgungsimpuls für ein Zeitintervall D verlängert, wodurch
folglich eine beschränkte Überhitzung
des Formgedächtniselementes
hervorgerufen wird.
- – ein
zweiter Stellbewegungsmodus umfasst noch einen zeitlich festgelegten
Impuls, unabhängig von
jeglichen Positionsrückmeldesignalen,
wie in 5, es ist jedoch ein Sicherheitsschalter vorhanden.
Diese Stellbewegung kann bei Aktoren angewandt werden, die als mechanische
Haken oder mechanische bistabile Schalter dienen. 6 zeigt
das dazugehörige
Diagramm, wobei sich die Linie A auf die Aktorverschiebung bezieht,
sich Punkt C auf dieser Linie auf die Position der erreichten Stellbewegung
bezieht und sich die Linie B auf den durch die zentrale Steuereinheit zeitlich
festgelegten Versorgungsimpuls bezieht.
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Die
Linie E bezieht sich auf den Status eines Steuerschalters, der mechanisch
aktiviert wird, sobald der Aktor eine maximale Bewegung erreicht
hat, um die Versorgung zu unterbrechen, und die Linie F bezieht
sich auf die tatsächliche
Versorgung des Formgedächtniselementes
entsprechend dem Impuls der Linie B, die jedoch bei Eingriff des
Sicherheitsschalters unterbrochen wird.
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Ein
weiteres Versorgungskriterium bezieht sich auf einen zeitlich unbestimmten
Versorgungsimpuls, ohne zeitliche Festlegung jedoch mit einem Positionsrückmeldesignal.
Diese Strategie ist im Fall von proportionalen Aktoren, die als
elektrische bistabile Schalter fungieren, zu verwenden. Unter Bezugnahme
auf diese Strategie zeigt 7 ein Diagramm, in
dem die Linie, die sich auf die Aktorverschiebung bezieht, eine
Linie E, die sich auf den Status eines Steuerschalters bezieht,
und eine Linie F, die sich auf den elektrischen Versorgungsimpuls
für den
Draht bezieht, der beim Erreichen einer Symmetrie entsprechend dem
Punkt C in dem Diagramm A gesteuert wird, dargestellt wird.
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Der
Versorgungsimpuls kann ebenfalls unterschiedlichen Typs sein. Um
genau zu sein, kann es die folgenden Typen von Impulsen geben:
- – konstante
Spannung entsprechend der höchsten
Batteriespannung;
- – Spannung
entsprechend einem Bruchteil der höchsten Batteriespannung (im
Fall einer 42 V-Batterie oder der Verwendung mit Spannungen unter
12 V), die mit der PWM (Pulsweitenmodulation) mit konstantem Gleichstrom
als Steuerung für
das verwendete Leistungsgerät
(MOS oder andere) erhalten wird;
- – Einsatz
von elektronischen HW-Filtern, um Spannungsspitzen bei der PWM zu
verhindern (Serieninduktivität
oder Parallelkapazität);
- – Verwenden
der PWM-Frequenz aus dem akustischen Band, um akustische Emissionen
in Komfortaktoren zu vermeiden;
- – variable
Spannung der PWM-Gleichstrommodulation bei der Stellbewegung zur
Steuerungsoptimierung, beispielsweise für eine unmittelbare Hochleistungs-Stellbewegung,
um den Erwärmschritt
zu beschleunigen, mit einer anschließenden Leistungsreduzierung,
um in der Nähe
der Steuerpunkte (im Falle der proportionalen Stellbewegung oder
der zeitabhängigen
Steuerung) abzubremsen;
- – Stellbewegungs-Vorimpulse – entsprechend den
zuvor eingestellten Punkten, um die Aktoren ohne mechanische Verschiebung
zu erwärmen (beispielsweise
zum Vorwärmen
der Türaktoren von
der Fernbedienung oder für
das „Passive
Entry" – schlüsselloses
Fahrberechtigungssystem).
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Bezüglich der
Evaluierung von äußeren Umgebungsparametern
zur optimalen Steuerung der Formgedächtniselemente können mehrere
Parameter evaluiert werden:
- – die Außentemperatur
mit Sensoren an Bord des Kraftfahrzeuges und durch Lesen von Information von
der Datenleitung,
- – die
Aktortemperatur durch Evaluieren der physikalischen Materialeigenschaften
(Aktorimpedanz – ohmsche
und nichtohmsche Komponenten),
- – die
geschätzte
Aktortemperatur in Abhängigkeit von
vorherigen Stellbewegungen – mehrere
Stellbewegungen und tatsächliche
Ruhezeiten,
- – die
Batteriespannung von äußeren Zentraleinheiten
auf der Datenleitung oder von dem dedizierten elektronischen System.
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Im
Folgenden werden einige Beispiele von Versorgungsstrategien für einen
Formgedächtnisaktor
oder mehrere Formgedächtnisaktoren
beschrieben, der beziehungsweise die zu dem System entsprechend
der Erfindung gehört
beziehungsweise gehören,
und an Bord eines Kraftfahrzeugs installiert ist beziehungsweise
sind.
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Vorwärmen bei niedrigen Temperaturen
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Vorwärmimpulse
können
durch eine PWM mit einem geeignet festgelegten Tastverhältnis bereitgestellt
werden, um eine unzureichende Leistung für die Stellbewegung des angesteuerten
Elementes bereitzustellen (beispielsweise für das Öffnen eines Türschlosses,
das durch den Aktor gesteuert wird), jedoch derartig, um den Aktor
für eine
tatsächliche Stellbewegung
in Vorgabezeiten auf geeignete Temperaturen zu bringen. Im Fall
der Stellbewegung von „Passive
Entry"-Türschlössern beispielsweise
entriegelt das System die Schlösser,
wenn der Benutzer sich dem Fahrzeug mit seiner/ihrer eigenen Fernbedienung
nähert,
wodurch die Schlösser
ohne die Verwendung des Schlüssel
geöffnet
werden können.
In diesem Fall kann der Aktor des elektrischen Türöffnungssystems vorgewärmt werden.
Bei der Einstellung des Tastverhältnisses
werden die Umgebungstemperatur und die Batteriespannung sowie die
Leistungsmerkmale des bestimmten Aktors berücksichtigt. Alternativ dazu
kann ein Positionsrückmeldesignal,
das sich auf eine von der Ruheposition verschiedene Nicht-Stellbewegungsposition
bezieht, verwendet werden, das das Unterbrechen des Vorwärmimpulses
vor dem Erreichen der Stellbewegungsbedingung ermöglicht.
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In
dem spezifischen Fall des gleichzeitigen Öffnens von Türschlössern von
außen
entsprechend dem „Passive
Entry"-Modus, wobei
das System automatisch die Nähe
der Fernbedienung des Benutzers detektiert, kann der Aktor mit zwei
Positionsreferenzen bereitgestellt werden, wobei eine die tatsächlich Stellbewegung
signalisiert und die andere einer Position entspricht, die einen
gegebenen Prozentsatz in Bezug auf die end gültige Stellbewegungsposition
repräsentiert.
In aktuellen Systemen identifiziert die elektronische Zentraleinheit
an Bord des Kraftfahrzeugs, wenn die durch den Benutzer getragene
zu identifizierende Vorrichtung (ein Transponder) in die Nähe des Fahrzeugs
gelangt, zuerst das Vorhandensein des Transponders und beginnt anschließend mit
der Identifizierung des spezifischen Transponders, um zu prüfen, ob
dies der autorisierte Benutzer ist. Sobald die Identifizierung durchgeführt ist,
werden die Schlösser
entriegelt. Mit Hilfe des Vorwärmsystems
kann das Kraftfahrzeug mit dem Vorwärmen des Aktors beginnen, sobald
es das Vorhandensein eines Transponders in seinem Funktionsbereich
detektiert, so dass die Zeit zum Identifizieren und Dekodieren des
spezifischen Transponders ebenfalls für das Vorwärmen des Aktors genutzt wird,
und anschließend,
falls erforderlich, die Stellbewegung sehr schnell ausführen. Im
Gegensatz zu den aktuellen Systemen ermöglicht dieses Verfahren eine
viel schnellere Öffnung,
da das Vorwärmen
der herkömmlichen
Aktoren nicht erforderlich ist und das Beschleunigen der Stellbewegung
nicht unterstützt,
die jedoch mit Formgedächtnisaktoren
durchgeführt wird.
Es ist offensichtlich, dass bei dieser spezifischen Anwendung Formgedächtnisaktoren
zum Steuern der Entriegelung von Türschlössern verwendet werden. Die
Erfindung umfasst jedoch des Weiteren sämtliche Anwendungen, wobei
die Verwendung der Formgedächtnisaktoren
nicht für
das Verriegeln oder Entriegeln von Schlössern oder nicht ausschließlich dafür vorgesehen
ist, sondern für
das Steuern des Öffnens
des Schlosses bei entriegeltem Schloss (beispielsweise geeignet
für die
Hecktür oder
die Motorhaube), anstatt das Schloss manuell durch das Wirken auf
einen Betätigungshebel
oder unter Verwendung einer Taste zu öffnen.
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Modulation der Impulse mit
festgelegter Dauer bei Änderung
der Temperatur und der Batteriespannung
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Der
Aktor benötigt
in Abhängigkeit
von der Außentemperatur,
der Aktortemperatur und der Batteriespannung (die durch den Joule-Effekt
geänderte elektrische
Leistung ist proportional zum Quadrat der Spannung (V2/R))
einen Erwärmschritt
von variabler Dauer. In jedem Fall wird aus Gründen der Zuverlässigkeit
beim Steuern der elektrischen Signale der Schalter, der den Versorgungsimpuls
unterbricht, vorzugsweise mit Entprellungssystemen und Tiefpassfiltern
gesteuert, um das Rauschen zu reduzieren; wodurch bewirkt wird,
dass von dem tatsächlichen
Erreichen der endgültigen
Position bis zum Ende des elektrischen Impulses ein Zeitintervall
von ungefähr
50 ms vergehen kann. Bei langen Stellbewegungen (>200–250 ms) oder bei einer niedrigen Außentemperatur
wird der Aktor durch die zusätzliche
Impulsdauer von 50 ms nicht beschädigt, obwohl dadurch eine Überhitzung
bewirkt wird. Bei kurzen Stellbewegungen und bei einer hohen Temperatur (beispielsweise
12 V zum Steuern der Entriegelung eines Schlosses mit einer Bewegung
von 4 mm und bei einer Umgebungstemperatur auf den Aktor von 60 °C) können die
zusätzlichen
50 ms Impuls zusätzlichen
30 % Impuls entsprechen. In diesem Fall wird die Überhitzung
konstant.
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Aus
diesen Gründen
bewirkt die Verwendung eines konstanten Zeitimpulses ohne Positionsrückmeldung
oder Rückmeldung über die
erreichte Stellbewegung eine Impulsdauer, die weder bei niedrigen
noch bei hohen Temperaturen geeignet sein kann. Die Verwendung einer
Rückmeldung über die erreichte
Stellbewegung ermöglicht,
die Versorgung zu dem Aktor auszuschalten, sobald die Stellbewegungsfunktion
beendet wurde.
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Wenn
die Stellbewegung durch einen Impuls ohne Positionsrückmeldung
durchgeführt
wird, ist dieser Impuls ein eindeutiger Dauerimpuls. Trotzdem muss
es auch im Fall mit Positionsrückmeldung
eine Höchstdauer
geben, innerhalb welcher der Impuls aus Sicherheitsgründen unterbrochen
werden sollte. In all diesen Fällen
ist die Dauer des Stellbewegungsimpulses (maximaler Sicherheitszeitimpuls)
als eine Funktion von Umgebungstemperatur, der tatsächlichen
oder der vermeintlichen Aktortemperatur sowie der Batterieversorgungsspannung
(wenn die Aktorversorgungsspannung nicht nach oben unabhängig von
der Veränderlichkeit
der Batteriespannung eingestellt wird) zu definieren. Die Modulation
der Versorgungsimpulsdauer ermöglicht,
dass sowohl der Aktor vor Schäden
auf Grund von Überhitzung
geschützt
wird als auch die Bedingungen aufrecht erhalten werden, die für eine schnelle
Abkühlung
des Aktors bei der Formrückkehr
mit einer anschließenden
Funktionsaktualisierung in kurzen Zeiten erforderlich sind, das
heißt,
dass die Stellbewegung für die
wiederholte Verwendung in kurzen Zeiten optimiert wird.
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Schutz des Aktors im Fall von wiederholten
Impulsen:
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Variabel eingestellte Ruhezeiten
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Im
Fall von wiederholten Impulsen kann sich der Aktor überhitzen,
wenn die Ruhezeit zwischen den vorherigen Stellbewegungen nicht
ausreichend für
die Abkühlung
ist.
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Ein
Verfahren zum Schutz des Aktors in Übereinstimmung mit der Erfindung
im Fall von wiederholten Stellbewegungen besteht in dem Einfügen von
eingestellten Ruhezeiten zwischen einer Stellbewegung und der darauf
folgenden Stellbewegung. Zum weiteren Schutz kann die besagte Ruhezeit
eine variable Dauer als eine Funktion der Temperatur des Formgedächtnismaterials
in dem Aktor haben, die vor der Stellbewegung gemessen oder geschätzt wurde
(in Abhängigkeit
von vorherigen Stellbewegungen). Ein elektronisches Steuerverfahren
kann eine Mindest-Abkühlungs-Ruhezeit
zwischen einer Stellbewegung und der darauf folgenden Stellbewegung
einstellen. Diese Ruhezeiten können
für die ersten
Stellbewegungen auf kaum wahrnehmbare Werte eingestellt werden,
um die Funktionswahrnehmung während
der normalen Verwendung des Aktors nicht zu gefährden, sie können jedoch
eine erhöhte Dauer
nach jedem Impuls haben, um ein besseres Abkühlen des Aktors zu ermöglichen.
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Darüber hinaus
kann jede Stellbewegung durch einen Ruhezeitwert und eine Steuerzeit
gekennzeichnet sein: wobei ersterer die Mindestzeit zwischen einer
Stellbewegung und der darauf folgenden Stellbewegung ist, und als
die Zeit betrachtet wird, in der die zweite Stellbewegung nicht
aktiviert wird (Unterdrückungs-Ruhezeit);
und wobei zweitere die Mindest-Abkühlungszeit ist, über der
die vorherige Stellbewegung die neuen Stellbewegungen nicht beeinflusst
(Prüf-Zeit
oder Ruhezeit). Sobald das Öffnen
durchgeführt
wird, werden ein Unterdrückungs-Ruhezeitimpuls
sowie ein Prüf-Ruhezeitimpuls
erzeugt. Während
der Unterdrückungs-Ruhezeit werden
weitere Stellbewegungsanforderungen ignoriert oder, falls erforderlich,
bis zum Ende der Unterdrückungs-Ruhezeit
aufgeschoben. Wenn eine Stellbewegungsanforderung während der
Prüf-Ruhezeit jedoch
nach der Unterdrückungs-Ruhezeit
erfolgt, findet die Stellbewegung statt und die Werte der beiden
Ruhezeiten erhöhen
sich entsprechend den berechneten oder tabellierten Werten. Wenn
keine Anforderung während
der Prüf-Ruhezeit
erfolgt, ändert sich
die Dauer der beiden Ruhezeiten nicht, vorausgesetzt, dass sie bereits
der zulässigen
Mindest-Ruhezeit
entsprechen, oder sie verringern sich entsprechend den berechneten
und tabellierten Werten. Diese Steuerstrategie wird in der angehängten 8 dargestellt,
wobei die Diagramme A, B, C die zeitliche Entwicklung der Stellbewegungen
(A), der Unterdrückungs-Ruhezeiten
(B) sowie der Prüf-Ruhezeiten (C)
darstellen. Wie zu sehen ist, gibt es nach einer ersten Stellbewegung
A, einer Reihe von wiederholten Stellbewegungen A1,
A2, A3 ein Zeitintervall
D, das der Unterdrückungs-Ruhezeit
entspricht. Falls während
des Zeitintervalls D eine neue Stellbewegungsanforderung erfolgen
sollte, würde
diese ignoriert werden. Aus diesem Grund entspricht das Zeitintervall
D einer obligatorischen Abkühlungs-Ruhezeit. Nach
dem Zeitintervall D gibt es ein weiteres Zeitintervall E, das der
Prüf-Ruhezeit
entspricht. Wenn während
des Zeitintervalls E keine weitere Stellbewegungsanforderung erfolgt,
verringern sich die Werte beider Ruhezeiten (Unterdrückungs-Ruhezeit
und Prüf-Ruhezeit)
auf einen niedrigeren Wert in einer Reihe von tabellierten Werten.
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Durch
diese Verringerung kann die Ruhezeit E jedoch nicht unter ein Mindestzeitintervall
reduziert werden. So ist in Bezug auf 8 zu sehen,
dass nach einer zweiten Stellbewegung A2,
die nach dem Ablauf der Ruhezeiten D und E angefordert wurde, eine
dritte Stellbewegungsanforderung A3 vorliegt, wenn
die Prüf-Ruhezeit
(Diagramm C) nach der Stellbewegung A2 noch
nicht beendet ist. Dadurch wird die anschließende Verlängerung der Dauer sowohl der
Unterdrückungs-
als auch der Prüf-Ruhezeiten entsprechend
einem Algorithmus oder einer vordefinierten Wertetabelle bewirkt.
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Das
System kann des Weiteren einen dritten Dauerwert umfassen, der länger ist
als die anderen, und über
dem die Dauer der Ruhezeiten dennoch an den Mindestwert angepasst
wird, der in Folge des Nichtvorhandenseins von Stellbewegungen während der
Gültigkeitsdauer
des Wertes und ohne die Verwendung des in den Prüf-Ruhezeiten definierten Mechanismus
zugelassen wurde, entsprechend dem die Zeiten sequenziell verringert
werden.
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Die
statistische Berechnung der Stellbewegungen, die in dem kurzen Verlauf
der Stellbewegung stattgefunden hat, kann darüber hinaus eine geeignete Modulation
des Versorgungsimpulses bewirken (Verringerung der Impulsdauer und/oder
Verringerung der Versorgungsspannung, um die thermischen Trägheiten
zu reduzieren). Es besteht dennoch die Notwendigkeit einer Impulsmodulation,
und zwar immer dann, wenn der Aktor warm ist. Dies ist der Fall, wenn
die Außenumgebungstemperatur
hoch ist oder wiederholt Stellbewegungen durchgeführt werden. Wenn
die Umgebungstemperatur bekannt ist, kann die Aktortemperatur geschätzt werden,
obwohl die Punkttemperatur allein nicht ausreichend ist.
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Wenn
das Kraftfahrzeug in der Sonne geparkt ist, steigt die Innentemperatur
auf Grund der Sonnenstrahlen auf viel höhere Werte als die Außentemperatur
an. In diesem Fall kann auch unter Berücksichtigung der Sonnenstrahlen
die erreichte Temperatur geschätzt
werden. Zu diesem Zweck können
Sensoren des Typs, die derzeit für
automatische Klimaanlagen genutzt werden, verwendet werden, um den
Beitrag der Strahlungen sowie den Wärmeaustausch zwischen dem Kraftfahrzeug
und der Umgebung rechtzeitig einzubeziehen.
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Bezüglich der
vorherigen Stellbewegungen des geprüften Aktors sollte ein Wärmeaustauschverhalten
beachtet werden, das die Dauer der Impulse und der Abkühlungs-Ruhezeiten, die an
den Aktor abgegebene elektrische Leistung sowie den Wärmeaustausch
mit der Umgebung des Aktors berücksichtigt.
Diese Informationen zusammen mit der bekannten Ausgangstemperatur
ermöglichen
das Schätzen der
durch den Aktor erreichten Temperatur. In Abhängigkeit von dieser Temperatur
kann das System immer längere
Höchst-Abkühlungs-Ruhezeiten
und immer kürzere
Höchst-Aufwärmzeiten
einstellen.
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Die
Temperatur des Aktors kann erhalten werden durch:
- – direktes
Detektieren der Temperatur mit einem geeigneten lokalen Sensor,
- – direktes
Detektieren der Temperatur durch Erfassen der Impedanzwerte der
aktiven Position des Aktors vor der Stellbewegung,
- – Überwachen
der Aktorimpedanz während
der Stellbewegung mit Hochimpedanz-Systemen oder dergleichen, die parallel
zu dem Aktor angeordnet sind, oder durch den Wechsel von Erfassungen
und Versorgungen unter Verwendung der durch PWM-Impulse gechopperten („zerhackten") Versorgung,
- – Schätzen der
Stellbewegungsdauer der zuletzt durchgeführten Stellbewegung zusammen
mit der Ruhezeit. Diese Lösung
wird bei der Stellbewegung mit Positionsrückmeldung angewandt. Wenn eine
erste Stellbewegung stattfindet, wird die tatsächliche Stellbewegungsdauer
detektiert. Diese Dauer ist zusammen mit der eingestellten Spannung
- proportional zu der Ausgangstemperatur des Aktors und ermöglicht folglich
eine Schätzung
der lokalen Temperatur.
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Wenn
außerdem
die anschließende
Ruhezeit sowie das Wärmeaustauschverhalten
mit der Umgebung berücksichtigt
werden, kann die Ausgangstemperatur des Aktors geschätzt werden.
Mit dieser Strategie ist jedoch keine Temperaturschätzung für die erste
Stellbewegung nach langen Ruhezeiten mit einer Änderung der Umgebungsbedingungen
möglich.
Darüber
hinaus erfordern die beiden letzten vorangehend aufgeführten Strategien
die Verwendung eines Speichers, um das Hystereseverhalten des Materials
zu berücksichtigen.
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Die
Informationen über
das Erwärmen
des lokalen Aktors können
verwendet werden für:
- – die
Modulation der Dauer eines konstanten Versorgungsimpulses, beispielsweise
zum Verringern der Impulsdauer, wenn die Temperatur hoch ist oder
zum Verlängern,
wenn die Temperatur niedrig ist;
- – die
Modulation der Dauer eines maximalen Versorgungsimpulses in Fällen einer
Rückmeldung.
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Optimierung der Stellbewegung
durch Stromregelung
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Wenn
die Batteriespannung ausreichend ist, um die Modulation der Versorgungsspannung
des Aktors (Stromregelung des Aktors), das heißt, für dünne Drähte, im Fall von langsamen
Stellbewegungen oder einer hohen Spannung (12V oder 42V) zu ermöglichen,
kann die Versorgungsspannung des Aktors moduliert werden, um ein
optimiertes Erwärmen
zu ermöglichen,
wobei soviel wie möglich
unnötiger
Wärmeverlust
entsprechend mehreren möglichen
Strategien reduziert wird:
- – mehr Strom bei niedrigen
Temperaturen, um dadurch die Stellbewegung zu beschleunigen;
- – weniger
Strom bei höheren
Temperaturen;
- – variabler
Strom zur schnellen Proportionalsteuerung (höherer Strom unmittelbar bei
Stellbewegung, abgebremst bei Annäherung an die angeforderte
Position, wobei eine kontinuierliche Positionssteuerung erforderlich
ist);
- – variabler
Strom, um die Geschwindigkeit bei langsamen Stellbewegungen (Zeit > 1 Sekunde) konstant
zu halten, wenn der Aktor auf Grund eines stärkeren Wärmeaustauschs mit der Umgebung
umgehend mehr Energie und dann immer weniger Energie auf Grund der
Umgebungserwärmung
benötigt;
- – niedriger
Gleichstrom (unter dem Stellbewegungs-Schwellenwert) zum Vorwärmen;
- – variabler
Strom auf zwei Niveaus für
gechopperte Stellbewegungen durch Halten der Position (mehr Strom
zum Verschieben, weniger Strom zum Halten der Position).
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Es
ist offensichtlich, dass, obwohl die Grundidee der Erfindung dieselbe
bleibt, sich die Konstruktionseinzelheiten und Ausführungsformen
stark von dem unterscheiden können,
was lediglich auf exemplarische Weise beschrieben und dargestellt
wurde, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.