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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Motorregler und eine elektrische
Servolenkung.
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Üblicherweise
findet in diesem Zusammenhang ein Motorregler bekannter Art Verwendung,
bei dem eine von einer Gleichstromquelle zugeführte Gleichspannung unter Verwendung
eines Pulsdauermodulations-Wechselrichters (PDM-Wechselrichters)
in eine Dreiphasen-Antriebsleistung
(U, V, W) umgesetzt und diese Dreiphasen-Antriebsleistung einem
bürstenlosen
Motor zugeführt
werden.
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Wie
in 7 veranschaulicht ist, besteht ein PDM-Wechselrichter aus
drei Armen bzw. Strängen 52,
die als Basiseinheiten parallel geschaltet sind. Jeder Strang 52 entspricht
hierbei einer der Phasen und umfasst zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente 51a, 51b (z.B.
in Form von MOS-Leistungsfeldeffekttransistoren). Über den
Motorregler erfolgt dann im Rahmen einer vorgegebenen zeitlichen
Steuerung ein abwechselndes Durchschalten und Sperren des hochspannungsseitigen
Schaltelements 51a und des niederspannungsseitigen Schaltelements 51b eines jeden
Strangs, wodurch einem bürstenlosen
Motor 53 eine Dreiphasen-Antriebsleistung zugeführt wird.
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Bei
einem solchen Motorregler wird zur Verhinderung eines Kurzschlusses
(Strangkurzschlusses) zwischen dem jeweiligen hochspannungsseitigen
Schaltelement 51a und dem entsprechenden niederspannungsseitigen
Schaltelement 51b bei dem Durchschalten und Sperren der
Schaltelemente 51a, 51b eine "Totzeit" eingestellt, während der die beiden Schaltelemente 51a, 51b gesperrt
sind. Diese Totzeit führt
jedoch zu Abweichungen zwischen einem Spannungssollwert und der
Ausgangsspannung des PDM-Wechselrichters,
wodurch wiederum Drehmomentschwankungen, Vibrationen und Stromverzerrungen
entstehen, die zu einer Geräuschentwicklung
in Form von Störgeräuschen führen können.
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Bei
einer elektrischen Servolenkung wird meist ein als Antriebsquelle
dienender Motor im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises in Abhängigkeit
von der Abweichung eines Stromistwertes von einem Stromsollwert
geregelt, der einen Regelsollwert einer Hilfskraft (eines Hilfslenkmoments)
darstellt. Bei einer langsamen Drehung des Lenkrades, bei der sich
auch der Motor langsam dreht, nimmt ein Drehmoment- bzw. Lenkmomentsensor
mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit Stromstörungen auf, während bei extremen
Lenkbewegungen, bei denen ein hoher Strom über den PDM-Wechselrichter
fließt,
mit hoher Wahrscheinlich Stromstörungen
erzeugt werden. Die Drehbewegung des Motors wird somit durch Stromstörungen beeinflusst,
wobei sich bei einer instabilen Drehbewegung des Motors Störgeräusche und
Vibrationen erheblich verstärken.
Die Rückkopplungs- oder Regelverstärkung ist
daher bei einer geringen Umdrehungsgeschwindigkeit bzw. bei niedrigen Drehzahlen
des Motors im allgemeinen auf einen geringen Wert eingestellt. Wenn
sich somit der Motor mit geringer Geschwindigkeit bzw. niedrigen
Drehzahlen dreht, machen sich insbesondere Stromverzerrungen bemerkbar,
die in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Totzeit auftreten.
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Eine
auch bei elektrischen Servolenkungen häufig verwendete Motorregelung
umfasst daher eine Totzeitkompensation zur Reduzierung von Abweichungen
zwischen einem Spannungssollwert und der erhaltenen Ausgangsspannung,
um das Auftreten dieser mit der Totzeit in Verbindung stehenden Stromverzerrungen
zu unterdrücken.
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So
ist z.B. bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem in
der in 8 veranschaulichten Weise ein Totzeit-Kompensationsbetrag β einem Einschaltzyklen- bzw. Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert
oder von diesem Tastverhältnis-Instruktionswert αx subtrahiert
wird. Der Tastverhältnis-Instruktionswert αx wird seinerseits
mit einer eine Trägerwelle
darstellenden Dreieckwelle δ zur
Bestimmung der Durchschalt- und Sperrzeiten der Schaltelemente 51a, 51b verglichen.
Hierbei wird der Totzeit-Kompensationsbetrag β in Abhängigkeit von der Stromrichtung
des Tastverhältnis-Instruktionswertes αx voreingestellt
(siehe Hidehiko Sugimoto, Facts of Theory and Design of AC Servo
Motor Systems, 6th edition, Denshi Shuppansha, August 2002, Seiten 56–58).
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Wenn
hierbei ein einem der Stränge 52 entsprechender
Strom mit der Phase X (nachstehend entspricht X = U, V, W) von dem
Strang 52 in Richtung des bürstenlosen Motors 53 fließt, d.h.,
wenn die Stromrichtung "positiv" ist (siehe 7),
wird der Totzeit-Kompensationsbetrag β dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert,
während
im Falle eines von dem bürstenlosen
Motor 53 in Richtung des Stranges 52 fließenden Stroms,
d.h., bei "negativer" Stromrichtung (7)
der Totzeit-Kompensationsbetrag β von dem
Tastverhältnis-Instruktionwert αx subtrahiert
wird. Hierdurch wird die Zeitdauer, bei der die Ausgangsspannung
Vx der Phase X in einem Zyklus T der Dreieckwelle δ die Stromversorgungsspannung Vb
bildet (t3 + t4 oder t5 + t6), in Bezug auf die entsprechende Zeit
(t1 + t2) in einem Falle abgeglichen, bei dem keine Totzeit eingestellt
ist (bei einem idealen Spannungsverlauf). Auf diese Weise wird der Spannungssollwert
in Übereinstimmung
mit der Ausgangsspannung des PDM Wechselrichters gebracht, sodass
eine auf einer Totzeit beruhende Stromverzerrung vermieden wird.
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In
jüngerer
Zeit findet meist eine über
einen Mikrocomputer erfolgende programmgesteuerte Servoregelung
von Motoren bei Lenkanlagen Verwendung. Bei einer solchen Software-Servoregelung
erfolgt die Abgabe (Erneuerung) von EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignalen zur Durchführung einer
die vorstehend beschriebene Totzeitkompensation umfassenden Motorregelung,
d.h., die Abgabe (Erneuerung) von EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignalen zum Durchschalten
und Sperren der Schaltelemente eines PDM-Wechselrichters, in Form
einer im Rahmen eines vorgegebenen Zyklus erfolgenden Unterbrechung.
Mit steigender Drehzahl des Motors nimmt daher auch die Motor-Drehzahl
pro Abgabe (Erneuerung) des EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignals zu, was
dazu führt,
dass eine grobere Motorregelung erhalten wird.
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Bis
zur Erneuerung des EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignals
findet somit eine Verschiebung des Strom-Nulldurchgangspunktes statt, der den Zeitpunkt
der Umschaltung für
die Totzeitkompensation darstellt, d.h., es tritt eine Abweichung
zwischen der geregelten Umschaltzeit und der tatsächlichen Umschaltzeit
auf. Dies hat wiederum zur Folge, dass der dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx eigentlich hinzuzuaddierende
Totzeit-Kompensationsbetrag β stattdessen
in einigen Fällen
von dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx subtrahiert
wird, während
in anderen Fällen
der eigentlich von dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx zu subtrahierende
Totzeit-Kompensationsbetrag β dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert
wird. In beiden Fällen verursacht
dies eine Zunahme von Stromverzerrungen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Motorregler und
eine elektrische Servolenkungsvorrichtung anzugeben, bei denen unabhängig von
der Drehzahl des Motors eine genaue Kompensation von auf Totzeiten
beruhenden Stromverzerrungen erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Motorregler gemäß Patentanspruch 1 sowie durch
eine elektrische Servolenkungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 6 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt,
in denen das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip anhand von
Ausführungsbeispielen
veranschaulicht ist.
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Die
der Erfindung zu Grunde liegenden Zielsetzungen sowie die erzielbaren
Vorteile sind daher am besten aus der nachstehenden Beschreibung von
derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen
ersichtlich, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 ein
Blockschaltbild der Konfiguration einer elektrischen Steuereinheit,
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3A bis 3D Diagramme,
die Verstärkungs-Kennfelder veranschaulichen,
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4A bis 4C Diagramme,
die Kompensationsbetrags-Kennfelder
veranschaulichen,
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5 ein
Ablaufdiagramm einer Totzeit-Kompensationsberechnung,
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6 ein
Ablaufdiagramm einer Motorregelung,
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7 ein
Schaltbild eines Strangs eines PDM-Wechselrichters des Standes der Technik,
und
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8 Strom-,
Spannungs- und Signalverläufe
zur Veranschaulichung einer Kompensation des Standes der Technik.
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Nachstehend
wird eine elektrische Servolenkungsvorrichtung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt ist, umfasst die elektrische Servolenkungsvorrichtung 1 einen
bürstenlosen
Motor 2 sowie eine elektronische Steuereinheit (ECU) 3.
Der bürstenlose
Motor 2 wirkt hierbei als Antriebsquelle, über die
der Lenkanlage eines Fahrzeugs eine Hilfskraft zugeführt wird,
während
die elektronische Steuereinheit (ECU) 3 als Motorregler zur
Regelung des bürstenlosen
Motors 2 Verwendung findet.
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Ein
Lenkrad 4 ist über
eine Lenkwelle 5 mit einer Zahnstange 6 gekoppelt.
Eine durch einen Lenkvorgang hervorgerufene Drehbewegung des Lenkrades 5 wird
mittels eines (nicht dargestellten) Zahnstangenmechanismus in eine
lineare Hin- und Herbewegung der Zahnstange 6 umgesetzt
und sodann auf gelenkte Fahrzeugräder 8 übertragen.
Bei der elektrischen Servolenkungsvorrichtung 1 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
handelt es sich um eine elektrische Zahnstangen-Servolenkung, bei
der der bürstenlose
Motor 2 koaxial zu der Zahnstange 6 angeordnet
ist. Ein von dem bürstenlosen
Motor 2 erzeugtes Hilfslenkmoment, das nachstehend vereinfacht
als Hilfsmoment bezeichnet ist, wird über einen (nicht dargestellten)
Kugelumlaufmechanismus auf die Zahnstange 6 übertragen.
Die elektronische Steuereinheit 3 steuert hierbei eine
dem Lenksystem zugeführte
Hilfskraft durch Regelung des von dem Motor 2 erzeugten
Hilfsmoments.
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Wie
in 2 dargestellt ist, umfasst die elektronische Steuereinheit 3 einen
Mikrocomputer 11 und einen PDM-Wechselrichter 12. Der Mikrocomputer 11 gibt
hierbei EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignale
ab, während
der PDM-Wechselrichter 12 auf
der Basis dieser EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignale dem
bürstenlosen
Motor 2 eine Dreiphasen-Antriebsleistung (U, V, W) zuführt.
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Die
elektronische Steuereinheit 3 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist mit einem Drehmomentsensor 14 zur Erfassung eines Lenkmoments τ und mit
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 (siehe 1)
zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit V verbunden. Auf der Basis
der jeweils eingegebenen Werte des Lenkmoments τ und der Fahrzeuggeschwindigkeit
V bestimmt der Mikrocomputer 11 dann die dem Lenksystem
zuzuführende
Hilfskraft, d.h., das von dem Motor 2 zu erzeugende Hilfsmoment.
Der Mikrocomputer 11 ist außerdem mit zwei Stromsensoren 17, 18 und
einem Drehwinkelsensor 19 verbunden. Die Stromsensoren 17, 18 erfassen
die Werte des dem bürstenlosen
Motor 2 zugeführten
Stroms, während
der Drehwinkelsensor 19 den Drehwinkel (elektrischen Winkel) Θ des bürstenlosen
Motors 2 erfasst. Auf der Basis der Ausgangssignale dieser
Sensoren erfasst dann der Mikrocomputer 11 die Phasenstromwerte
Iu, Iv, Iw sowie den Drehwinkel Θ des
bürstenlosen
Motors 2, wobei der Mikrocomputer 11 auf der Basis
der erfassten Phasenstromwerte Iu, Iv, Iw und des erfassten Drehwinkels Θ ein EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignal
abgibt, um die Erzeugung des festgelegten Hilfsmoments über den
Motor 2 herbeizuführen.
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Der
PDM-Wechselrichter 12 wird seinerseits von mehreren (bei
diesem Ausführungsbeispiel
2 × 3)
MOS-Leistungsfeldeffekttransistoren
gebildet, die jeweils einer der Phasen des bürstenlosen Motors 2 zugeordnet
(und nachstehend vereinfacht als Feldeffekttransistoren bezeichnet)
sind. Im einzelnen wird der PDM-Wechselrichter 12 von
drei parallel geschalteten Strängen 22u, 22v und 22w gebildet.
Der Strang 22u stellt hierbei eine Reihenschaltung von Feldeffekttransistoren 21a, 21d dar,
wobei ein Knotenpunkt 23u der Feldeffekttransistoren 21a, 21d mit einer
U-Phasenwicklung des bürstenlosen
Motors 2 verbunden ist. Der Strang 22v stellt
in ähnlicher
Weise eine Reihenschaltung von Feldeffekttransistoren 21b, 21e dar,
wobei ein Knotenpunkt 23v der Feldeffekttransistoren 21b, 21e mit
einer V-Phasenwicklung
des bürstenlosen
Motors 2 verbunden ist. Der Strang 22w stellt
gleichermaßen
eine Reihenschaltung von Feldeffekttransistoren 21c, 21f dar,
wobei ein Knotenpunkt 23w der Feldeffekttransistoren 21c, 21f mit
einer W-Phasenspule des bürstenlosen
Motors 2 verbunden ist.
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Die
von dem Mikrocomputer 11 abgegebenen EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignale
werden den Gate-Anschlüssen
der Feldeffekttransistoren 21a bis 21f zugeführt, die
dann in Abhängigkeit
von diesen EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignalen
durchgeschaltet und gesperrt werden. Hierdurch wird die von der
Gleichstromquelle 25 abgegebene Gleichspannung in eine
Antriebsleistung bzw. einen Antriebsstrom für jede Phase umgesetzt, der
wiederum dem bürstenlosen
Motor 2 zugeführt
wird.
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Motorregelung und Totzeitkompensation
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Nachstehend
wird nun auf die bei diesem Ausführungsbeispiel
im Verlauf der Motorregelung und der Totzeitkompensation erfolgenden
Vorgänge näher eingegangen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel überträgt der Mikrocomputer 11 die
Phasenstromwerte Iu, Iv, Iw in ein d/q-Koordinatensystem (d/q-Umsetzung) und
führt auf
diese Weise eine unter Rückkopplung erfolgende
Stromregelung in dem d/q-Koordinatensystem durch. Außerdem erzeugt
der Mikrocomputer 11 Einschaltzyklen- bzw. Tastverhältnis-Instruktionswerte, durch
die die Durchschalt- und Sperrzeiten der den PDM-Wechselrichter 12 bildenden
Feldeffekttransistoren 21a bis 21f bestimmt werden,
und gibt auf der Basis dieser Tastverhältnis-Instruktionswerte EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignale
ab.
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Hierbei
werden das von dem Drehmomentsensor 14 erfasste Lenkmoment τ und die
von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15 erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit
V einem Stromsollwert-Berechnungsabschnitt 31 zugeführt, in
dem auf der Basis des eingegebenen Lenkmoments τ und der Fahrzeuggeschwindigkeit
V ein q-Achsen-Stromsollwert Iq* berechnet wird, der einen Regelsollwert
für das Hilfsmoment
darstellt. Die von den Stromsensoren 17, 18 erfassten
Phasenstromwerte Iu, Iv, Iw und der von dem Drehwinkelsensor 19 erfasste
Drehwinkel Θ werden
einem d/q-Umsetzungsberechnungsabschnitt 32 zugeführt, der
auf der Basis des eingegebenen Drehwinkels Θ die Phasenstromwerte Iu, Iv,
Iw in einen d-Achsen-Stromwert Id und einen q-Achsen-Stromwert Iq
in dem d/q-Koordinatensystem
umsetzt.
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Der
von dem Stromsollwert-Berechnungsabschnitt 31 berechnete
q-Achsen-Stromsollwert Iq* sowie der von dem d/q-Umsetzungsberechnungsabschnitt 32 berechnete
d-Achsen-Stromwert
Id und q-Achsen-Stromwert Iq werden PI-Regelungsberechnungsabschnitten 33, 34 zugeführt, die
jeweils einer Achse des d/q-Koordinatensystems zugeordnet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird dem der d-Achse zugeordneten PI-Regelungsberechnungsabschnitt 33 der
Wert Null als d-Achsen-Stromsollwert
Id* zugeführt
(Id* = 0). Der PI-Regelungsberechnungsabschnitt 33 führt eine
unter Rückkopplung
erfolgende Regelung (Proportional-Integral-Regelung) auf der Basis der Abweichung
des d-Achsen-Stromwertes
Id von dem d-Achsen-Stromsollwert Id* durch, wobei ein d-Achsen-Spannungssollwert
Vd* berechnet wird.
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In ähnlicher
Weise berechnet der der q-Achse zugeordnete PI-Regelungsberechnungsabschnitt 34 einen
q-Achsen-Spannungssollwert
Vq* auf der Basis der Abweichung des q-Achsen-Stromwertes Iq von
dem q-Achsen-Stromsollwert Iq*.
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Weiterhin
umfasst der Mikrocomputer 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
einen Umdrehungswinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt 35 sowie
einen Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36.
Der Umdrehungswinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt 35 berechnet
hierbei die Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω des bürstenlosen Motors 2 in
Abhängigkeit
von dem Drehwinkel Θ,
während
der Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 die
bei der Regelung verwendete Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkung auf
der Basis der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω bestimmt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
bestimmt der Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 als
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
eine d-Achsen-Proportionalverstärkung Kdp
und eine d-Achsen-Integralverstärkung Kdi
sowie eine q-Achsen-Proportionalverstärkung Kqp
und eine q-Achsen-Integralverstärkung Kqi.
Der Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 umfasst
hierbei Verstärkungskennfelder 36a bis 36d,
in denen der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω den Rückkopplungsverstärkungen
Kdp, Kdi, Kqp, Kqi zugeordnet ist (siehe 3A bis 3D).
Bei jedem dieser Verstärkungskennfelder 36a bis 36d steigt
die Rückkopplungsverstärkung mit
zunehmendem Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω ebenfalls
an. Auf der Basis dieser Verstärkungskennfelder 36a bis 36d werden dann
in dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 die
der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω entsprechenden Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
bestimmt, wobei im einzelnen die Werte der d-Achsen-Proportionalverstärkung Kdp,
der d-Achsen-Integralverstärkung
Kdi, der q-Achsen-Proportionalverstärkung Kqp
und der q-Achsen-Integralverstärkung Kqi
bestimmt werden.
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Je
größer der
Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω wird, d.h., je höher die Drehzahl
des bürstenlosen
Motors 2 ist, umso größer werden
bei diesem Ausführungsbeispiel
die in dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 festgelegten
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen,
sodass die Regelempfindlichkeit entsprechend ansteigt. In den PI-Regelungsberechnungsabschnitten 33, 34 erfolgt
dann die Regelung auf der Basis der in dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 festgelegten
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen.
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Der
von den PI-Regelungsberechnungsabschnitten 33, 34 berechnete
d-Achsen-Spannungssollwert Vd* und q-Achsen-Spannungssollwert Vq* werden einem d/q-Inversionsumsetzungs-Berechnungsabschnitt 37 zusammen
mit dem Drehwinkel Θ zugeführt. Auf
der Basis des eingegebenen Drehwinkels Θ werden dann in diesem d/q-Inversionsumsetzungs-Berechnungsabschnitt 37 der
d-Achsen-Spannungswert
Vd* und der q-Achsen-Spannungssollwert
Vq* in drei Phasenspannungssollwerte Vu*, Vv*, Vw* umgesetzt, die
sodann einem PDM-Berechnungsabschnitt 38 zugeführt werden. Auf
der Basis dieser Phasenspannungssollwerte Vu*, Vv*, Vw* werden in
dem PDM-Berechnungsabschnitt 38 Einschaltzyklen- bzw. Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv und αw der jeweiligen
Phasen erzeugt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
bilden somit der d/q-Umsetzungsberechnungsabschnitt 32,
die PI-Regelungsberechnungsabschnitte 33, 34,
der d/q-Inversionsumsetzungs-Berechnungsabschnitt 37 und
der PDM-Berechnungsabschnitt 38 einen Einschaltzyklen-
bzw. Tastverhältnis-Instruktionswert-Erzeugungsabschnitt.
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Weiterhin
umfasst der Mikrocomputer 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
einen Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 sowie
einen Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 zur
Korrektur der Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv, αw der jeweiligen
Phasen und Herbeiführung
einer Kompensation von Stromverzerrungen, die auf der Totzeit beruhen.
Der Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 wirkt
hierbei als Bestimmungsabschnitt sowie als Totzeit-Kompensierungsabschnitt,
während
der Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 die
Funktion eines Kompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitts hat, durch den
der Kompensationsbetrag der Totzeit festgelegt wird. Die von dem
Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 korrigierten
Tastverhältnis-Instruktionswerte αu', αv', αw' werden dann einem PDM-Ausgabeabschnitt 41 zugeführt.
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Der
Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 umfasst
hierbei Kompensationsbetragskennfelder 40a bis 40c,
in denen Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw der jeweiligen Phasen dem
Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω zugeordnet sind (siehe 4(a) bis 4(c)).
Bei jedem dieser Kompensationsbetragskennfelder 40a bis 40c nehmen
die jeweiligen Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw mit zunehmendem Absolutwert
der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω ab. Auf der Basis der Kompensationsbetragskennfelder 40a bis 40c werden
dann in dem Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 die
der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω entsprechenden Werte der Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw festgelegt.
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Je
größer der
Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω und damit umso höher die Drehzahl
des bürstenlosen
Motors 2 ist, umso kleiner werden bei diesem Ausführungsbeispiel
die in dem Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 bestimmten
Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw. In dem
Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 werden dann
die Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv und αw der jeweiligen Phasen
auf der Basis der in dem Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 bestimmten Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw korrigiert.
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Zusammen
mit dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx für jede Phase
und dem Totzeit-Kompensationsbetrag βx wird dem Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 der
Phasenstromwert Ix zugeführt.
In dem Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 wird
hierbei die Richtung des Stroms in einer jeden Phase auf der Basis
der Phasenstromwerte Ix bestimmt, wobei in dem Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 in
Abhängigkeit
von der Richtung des Stroms in einer jeden Phase der Totzeit-Kompensationsbetrag βx dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert
oder von diesem subtrahiert und auf diese Weise der Tastverhältnis-Instruktionswert αx korrigiert
werden.
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Wie
in dem Ablaufdiagramm gemäß 5 veranschaulicht
ist, wird somit bei Zuführung
des Tastverhältnis-Instruktionswertes αx der X-Phase (Schritt 101),
des Totzeit-Kompensationsbetrages βx (Schritt 102) und
des Phasenstromwertes Ix der X-Phase (Schritt 103) in dem
Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 zunächst bestimmt,
ob die Stromrichtung der X-Phase positiv ist (Schritt 104).
Wenn dies der Fall ist (Ix > 0,
Ergebnis "JA" im Schritt 104),
addiert der Mikrocomputer 11 den im Schritt 102 erhaltenen
Totzeit-Kompensationsbetrag βx
dem X-Phasen-Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzu,
korrigiert auf diese Weise den Tastverhältnis-Instruktionswert αx und führt sodann den korrigierten
Tastverhältnis-Instruktionswert αx' dem PDM-Ausgabeabschnitt 41 zu
(α' = αx + βx im Schritt 105).
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Wenn
dagegen im Schritt 104 festgestellt wird, dass bei der
X-Phase keine positive Stromrichtung vorliegt (Ergebnis "NEIN" im Schritt 104),
ermittelt der Mikrocomputer 11, ob bei der X-Phase eine negative
Stromrichtung vorliegt (Schritt 106). Wenn dies der Fall
ist (Ix < 0, Ergebnis "JA" im Schritt 106), subtrahiert
der Mikrocomputer 11 den im Schritt 102 erhaltenen
Totzeit-Kompensationsbetrag βx
von dem X-Phasen-Tastverhältnis-Instruktionswert αx, korrigiert
auf diese Weise den Tastverhältnis-Instruktionswert αx und führt den
korrigierten Tastverhältnis-Instruktionswert αx' dem PDM-Ausgabeabschnitt 41 zu (αx' = αx – βx im Schritt 107).
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Wenn
dagegen im Schritt 106 festgestellt wird, dass die Stromrichtung
der X-Phase nicht negativ ist (Ergebnis "NEIN" im
Schritt 106), d.h., wenn der Phasenstromwert "0" der X-Phase vorliegt, erfolgt in dem
Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 keine Korrektur
des im Schritt 101 erhaltenen Tastverhältnis-Instruktionswertes αx (αx' = αx
im Schritt 108).
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Auf
diese Weise werden in dem Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 die
Schritte 101 bis 108 für jede Phase durchgeführt und
hierdurch die Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv, αw der U-,
V- und W-Phase korrigiert
und die korrigierten Tastverhältnis-Instruktionswerte αu', αv' und αw' dem PDM-Ausgabeabschnitt 41 zugeführt. Auf
der Basis eines Vergleichs zwischen den im Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt 39 korrigierten
Tastverhältnis-Instruktionswerten αu', αv', αw' und der als Trägerwelle
verwendeten Dreieckwelle δ erzeugt dann
der PDM-Ausgabeabschnitt 41 das
dem PDM-Wechselrichter 12 zugeführte EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignal
(siehe 8).
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Nachstehend
wird auf den Ablauf der von dem Mikrocomputer 11 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
durchgeführten
Motorregelung näher
eingegangen.
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Der
Mikrocomputer 11 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
führt hierbei
die in dem Ablaufdiagramm gemäß 6 veranschaulichten
Schritte 201 bis 211 in Form von Unterbrechungen
aus, die in jeweils vorgegebenen Zeitintervallen (z.B. bei jeweils 200 μs) erfolgen.
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Hierbei
erfasst der Mikrocomputer 11 zunächst im Schritt 201 auf
der Basis der Ausgangssignale der Sensorenzustandsgrößen (nämlich die
Phasenstromwerte Iu, Iv, Iw, den Drehwinkel Θ, das Lenkmoment τ und die
Fahrzeuggeschwindigkeit V). Sodann berechnet der Mikrocomputer 11 in
einem Schritt 202 den q-Achsen-Stromsollwert Iq*, der den Regelsollwert
des von dem bürstenlosen
Motor 2 erzeugten Hilfsmoments darstellt, sowie den d-Achsen-Stromsollwert
Id* (Id* = 0). Im Rahmen der d/q-Umsetzung wandelt der Mikrocomputer 11 sodann
die im Schritt 201 erfassten Phasenstromwerte Iu, Iv, Iw
in den d-Achsen-Stromwert Id und den q-Achsen-Stromwert Iq um (Schritt 203).
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Sodann
differenziert der Mikrocomputer 11 den Drehwinkel Θ in Abhängigkeit
von der Zeit und teilt hierbei zur Berechnung der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω des bürstenlosen
Motors 2 die Differenz zwischen dem bei der vorhergehenden
Regelung vorliegenden Wert und dem bei der laufenden Regelung vorliegenden
Wert durch eine vorgegebene Periode (Schritt 204). Anschließend bestimmt
der Mikrocomputer 11 die der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω des bürstenlosen
Motors 2 entsprechenden Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen, d.h.
die Werte der d-Achsen-Proportionalverstärkung Kdp,
der d-Achsen-Integralverstärkung Kdi,
der q-Achsen-Proportionalverstärkung Kqp
und der q-Achsen-Integralverstärkung Kqi
(Schritt 205). Unter Verwendung der im Schritt 205 bestimmten
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
führt der
Mikrocomputer 11 sodann eine Regelungsberechnung (Proportional-Integral-Regelung) auf der
Basis der Abweichung des d-Achsen-Stromwertes Id von dem d-Achsen-Stromsollwert
Id* sowie der Abweichung des q-Achsen-Stromwertes Iq von dem q-Achsen-Stromsollwert
Iq* durch, wodurch der d-Achsen-Spannungssollwert
Vd* und der q-Achsen-Spannungssollwert Vq* berechnet werden (Schritt 206).
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Daraufhin
wandelt der Mikrocomputer 11 im Rahmen der d/q-Inversionsumsetzung
den im Schritt 206 berechneten d-Achsen-Spannungssollwert
Vd* und q-Achsen- Spannungssollwert
Vq* in drei Phasenspannungssollwerte Vu*, Vv*, Vw* um (Schritt 207).
Auf der Basis dieser Phasenspannungssollwerte Vu*, Vv* und Vw* erzeugt
der Mikrocomputer 11 dann die Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv und αw für die jeweiligen Phasen (PDM-Steuerungsberechnung
im Schritt 208).
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Danach
bestimmt der Mikrocomputer 11 auf der Basis der im Schritt 204 berechneten
Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω die
Werte der Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw für die jeweiligen
Phasen (Schritt 209). Unter Verwendung dieser Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw korrigiert
der Mikrocomputer 11 sodann in einem Schritt 210 die
Tastverhältnis-Instruktionswerte αu, αv und αw (Totzeit-Kompensationsberechnung
gemäß 5).
Schließlich
erzeugt der Mikrocomputer 11 auf der Basis der im Schritt 210 berechneten
Tastverhältnis-Instruktionswerte αu', αv' und αw' ein EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignal,
das dann dem PDM-Wechselrichter 12 zugeführt wird
(PDM-Ausgangssignal
im Schritt 211).
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Durch
dieses Ausführungsbeispiel
sind die nachstehend näher
beschriebenen Vorteile erzielbar.
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Bei
einer von einem Mikrocomputer durchgeführten Software-Servoregelung
erfolgt die Abgabe (Erneuerung) eines EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignals
in Form von Unterbrechungen in jeweils vorgegebenen Intervallen.
Bei steigender Motordrehzahl steigt dann auch die Drehzahl des Motors
je Abgabe (Erneuerung) des EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignals, was zur
Folge hat, dass eine grobe Motorregelung erhalten wird. Durch eine
hierbei erfolgende Verschiebung des Strom-Nulldurchgangspunktes
bis zur Erneuerung des EIN/AUS-Verknüpfungssteuersignals verschiebt
sich auch der Zeitpunkt der Umschaltung der Totzeitkompensation.
Demzufolge wird in einigen Fällen
der Totzeit-Kompensationsbetrag βx, der
eigentlich dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert
werden sollte, stattdessen von dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx subtrahiert, während in
anderen Fällen
ein Totzeit-Kompensationsbetrag βx,
der eigentlich von dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx subtrahiert
werden sollte, nunmehr dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert wird. In beiden
Fällen
führt dies
zu stärkeren
Stromverzerrungen.
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Demgegenüber umfasst
der Mikrocomputer 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
den Umdrehungswinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt 35,
der die Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω des bürstenlosen Motors 2 berechnet,
den Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36,
der die Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
(Kdp, Kdi, Kqp, Kqi) auf der Basis der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω bestimmt,
sowie den Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40,
durch den die Werte der Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw bestimmt
werden. Je größer hierbei
der Absolutwert der Umdrehungsgeschwindigkeit ω ist, d.h. je höher die
Drehzahl des bürstenlosen
Motors 2 ist, umso größer wird
die von dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt 36 festgelegte
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkung, wodurch
sich die Regelempfindlichkeit entsprechend erhöht. Je größer der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω wird, umso kleiner
werden auch die Werte der Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw, die von dem Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 festgelegt
werden.
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Wenn
bei dieser Konfiguration der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω des bürstenlosen
Motors 2 und damit dessen Drehzahl relativ hoch sind, was
zu einer groberen Motorregelung führt, wird der Wert des Totzeit-Kompensationsbetrages βx verringert,
der dem Tastverhältnis-Instruktionswert αx hinzuaddiert
oder von diesem subtrahiert wird. Auch wenn eine Verschiebung des
Umschaltzeitpunktes der Totzeitkompensation stattfindet, wird somit
der Einfluss einer Inversion von Addition oder Subtraktion des Totzeit-Kompensationsbetrages βx auf die
Umschaltzeit der Totzeitkompensation verringert. Stromverzerrungen
auf Grund einer Verringerung des Totzeit-Kompensationsbetrages βx werden
jedoch durch eine Vergrößerung der
Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkung und
damit durch eine höhere
Regelempfindlichkeit unterdrückt.
Die Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
für niedrige
Motordrehzahlen des bürstenlosen
Motors 2 werden wie beim Stand der Technik auf niedrige
Werte eingestellt, sodass Geräuschentwicklungen
und Vibrationen auf Grund von Stromstörungen vermieden werden, während totzeitbedingte
Stromverzerrungen durch Addition oder Subtraktion des Totzeit-Kompensationsbetrages βx unterdrückt werden.
Unabhängig von
der Drehzahl des bürstenlosen
Motors 2 erfolgt daher eine genaue Kompensation von Stromverzerrungen
in Verbindung mit der Einstellung der Totzeit.
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Das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
kann in der nachstehend näher
beschriebenen Weise modifiziert werden.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zwar
die von dem Totzeitkompensationsbetrags- Bestimmungsabschnitt 40 festgelegten
Werte des Totzeit-Kompensatonsbetrages βx umso kleiner,
je größer der
Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω wird, jedoch kann diese Konfiguration
auch geändert
werden. Wenn z.B. der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω größer als
ein vorgegebener Wert ist, kann der Wert des Totzeit-Kompensationsbetrages βx auch derart
festgelegt werden, dass er kleiner als in dem Falle ist, bei dem
der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω gleich
dem vorgegebenen Wert oder kleiner ist. Wenn hierbei der Wert des
Totzeit-Kompensationsbetrages βx
in einem Fall, bei dem der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω den vorgegebenen
Wert überschreitet,
durch Null gegeben ist, erübrigt
sich im wesentlichen die Totzeitkompensation durch Addition oder Subtraktion
des Totzeit-Kompensationsbetrages βx, wenn die Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω größer als
der vorgegebene Wert ist. Diese Modifikation bietet die gleichen
Vorteile wie das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Bei einem auf
Null festgelegten Wert des Totzeit-Kompensationsbetrages βx führen Inversionen
von Addition und Subtraktion des Totzeit-Kompensationsbetrages βx in Bezug auf
den Tastverhältnis-Instruktionswert αx nicht zu Stromverzerrungen.
In einem solchen Fall wird der vorgegebene Wert vorzugsweise auf
einen Wert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω eingestellt, bei dem eine
Inversion von Addition und Subtraktion des Totzeit-Kompensationsbetrages βx erfolgen
kann. Dieser Wert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω lässt sich
durch Experimente und Simulationen erhalten.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zwar
in dem Rückkopplungsverstärkungs- Bestimmungsabschnitt 36 die
der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω entsprechenden Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
(Kdp, Kdi, Kqp, Kqi) auf der Basis der Verstärkungskennfelder 36a bis 36d bestimmt,
während
in dem Totzeitkompensationsbetrags-Bestimmungsabschnitt 40 die Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv, βw auf der
Basis der Kompensationsbetragskennfelder 40a bis 40c bestimmt
werden, jedoch können
die der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω entsprechenden Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
(Kdp, Kdi, Kqp, Kqi) sowie die Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw auch unter
Verwendung einer Funktion der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω bestimmt werden.
Weiterhin sind im Falle einer Bestimmung der Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungen
(Kdp, Kdi, Kqp, Kqi) und der Totzeit-Kompensationsbeträge βu, βv und βw im Rahmen
von Kennfeldberechnungen die Konfigurationen der Kennfelder nicht
auf diejenigen der Verstärkungskennfelder 36a bis 36d und der
Kompensationsbetragskennfelder 40a bis 40c beschränkt, sondern
die Kennfelder können
auch dahingehend konfiguriert werden, dass mit steigendem Absolutwert
die Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω der Totzeit-Kompensationsbetrag
monoton abnimmt oder die Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkung monoton
ansteigt.
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Darüber hinaus
ist es nicht erforderlich, dass sowohl die Proportionalverstärkung als
auch die Integralverstärkung
bei zunehmendem Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ω gemeinsam ansteigen,
sondern es ist zumindest ausreichend, wenn entweder die Proportionalverstärkung oder
die Integralverstärkung
ansteigt. Hierbei kann auch die Proportionalverstärkung oder
die Integralverstärkung abnehmen,
solange eine Verbesserung der Regelempfindlichkeit stattfindet.
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Die
vorstehenden Ausführungsbeispiele
sind lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung beschrieben worden
und besitzen daher keinen einschränkenden Charakter, sodass die
Erfindung nicht auf die beschriebenen detaillierten Merkmale beschränkt ist,
sondern im Rahmen des Schutzumfangs und von Äquivalenten der Patentansprüche modifiziert
werden kann.
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Wie
vorstehend beschrieben, umfasst ein Mikrocomputer einen Umdrehungswinkelgeschwindigkeits-Berechnungsabschnitt,
einen Regel- bzw. Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt und
einen Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt. Über den
Umdrehungswinkelgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt erfolgt hierbei
eine Berechnung der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit eines bürstenlosen
Motors. Auf der Basis dieser Umdrehungswinkelgeschwindigkeit werden
dann von dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt
Regelverstärkungen
bzw. Rückkopplungsverstärkungen
bestimmt. In dem Totzeitkompensations-Bestimmungsabschnitt erfolgt die Bestimmung eines
Totzeit-Kompensationsbetrags. Je größer der Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit ist,
d.h., je höher
die Drehzahl des bürstenlosen
Motors ist, umso größer werden
die von dem Rückkopplungsverstärkungs-Bestimmungsabschnitt
festgelegten Rückkopplungsverstärkungen,
wodurch die Empfindlichkeit der Rückkopplungsverstärkung und
damit der Regelung entsprechend höher wird. Je größer der
Absolutwert der Umdrehungswinkelgeschwindigkeit wird, umso kleiner
wird auch der von dem Totzeitkompensations-Berechnungsabschnitt festgelegte Totzeit-Kompensationsbetrag.