ITMI940637A1

ITMI940637A1 - Procedimento e dispositivo per posizionare un organo di regolazione

Info

Publication number: ITMI940637A1
Application number: IT000637A
Authority: IT
Inventors: Wolfgang Haag; Klaus Muller
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1995-10-01
Also published as: FR2703796A1; ITMI940637A0; BR9401345A; JP3665359B2; DE4310859C2; IT1273413B; DE4310859A1; JPH074288A

Description

D E S C R I Z I O N E

Stato dell 'arte

L'invenzione riguarda un procedimento e un dispositivo per posizionare un organo di regolazione conforme ai preamboli delle rivendicazioni indipendenti .

Un tale procedimento e un tale dispositivo sono noti attraverso la DE-OS 35 io 176 (Brevetto U5 N° 4 622 936). Nel documento, che porta come esempio una farfalla di autoveicolo azionabile elettricamente, il posizionamento della farfalla viene effettuato mediante un regolatore di posizione tramite un motore elettrico e uno stadio finale in base alla divergenza, rilevata mediante un elemento misuratore, tra un valore effettivo di posizione e un valore nominale della posizione preventivamente stabilito. Il valore nominale di posizione viene formato in un elemento calcolatore in base a dati di funzionamento, come per esempio la posizione di un organo di manovra azionabile dal guidatore, e viene erogato al regolatore di posizione come livello di segnale analogico. Nel procedimento convenzionale, l'esattezza del posizionamento dell'organo di regolazione dipende dalla risoluzione di un convertitore digitA-LE/analogico che trasforma in un livello analogico la rappresentazione digitale del valore nominale memorizzato nel computer. Oltre alla risoluzione, il convertitore limita anche la rapidità di una modifica del valore nominale ovvero di riferimento.

Costituisce, pertanto, obiettivo del1'invenzione indicare accorgimenti mediante i quali sia reso possibile un esatto posizionamento di un organo di regolazione con affinamento del procedimento convenzionale, preferibilmente senza che il dispendio in termini di tecnica della commutazione aumenti in misura considerevoie.

Ciò si ottiene grazie al fatto che l'elemento calcolatore eroga il valore nominale digitalmente come segnale di forma impulsiva con almeno un parametro modificabile, e quest’ultimo viene convertito in un valore nominale analogico che viene impostato dal regolatore analogico per il posizionamento dell'organo di regolazione.

Un tale procedimento è noto attraverso la domanda non prepubblicata del brevetto tedesco N° DE-P Δ2 03 191, in cui esso è associato alla regolazione della corrente di una fase di motore a passi.

Vantaggi dell 'invenzione

Il mododiprocedere proposto dal L 'invenzione consente IL posizionamento esatto di un organo di regolazione e richiede al tempo stesso soltanto un esiguo dispendio in materia circuitale.

Inoltre, è vantaggioso il fatto che sia possibile mantenere un valore di riferimento digitale impostato da un elemento calcolatore così che si possa continuare a sfruttare, assieme al calcolo del valore di riferimento, i vantaggi di un elemento calcolatore .

in modo vantaggioso si può rinunciare ad.un convertitore digitale/analogico

Particolare importanza acquista il mododiprocedere proposto dall'invenzione per il fatto che viene resa possibile una pIU Elevata risoluzione, ottenibile digitale-analogici

mediante convertitori 1 di tipo tradizionale.

Con l'impiego di filtri passabasso di secondo o quarto ordine, l'ondulazione residua del valore nominale analogico, rilevata dal segnale di forma impulsiva con almeno un parametro modificabile, può essere ridotta in maniera soddisfacente.

E vantaggioso un segnale modulato in larghezza di impulsi, ove l'elemento calcolatore imposta la lunghezza dell'impulso, cioè il rapporto impulsi, in in base al valore nominale calcolato. Le relative fasi del programma inserito nell'elemento calcolatore sono particolarmente semplici.

Particolarmente vantaggiosa è la relazione, semplice e lineare, fra il rapporto impulsi del segnale modulato in ampiezza di impulsi e il valore nominale. Con il mododiprocedere inventivo è possibile, senza grande dispendio, una precisione di 12 bit.

mododi Part icolarmente vantaggioso è l'impiego del;procedere inventivo con un regolatore analogico di posizione per la messa a punto di un organo, come ad es. una farfalla,o un'asta di regolazione, che serve a regolare le prestazioni di un motore a combustione interna,

oltre alla scelta di un segnale modulato in ampiezza di impulsi con rapporto impulsi modificabile, in altre esecuzioni può essere impiegato un segnale di forma impulsiva con frequenza modificabile e larghezza di impulsi fissa.

Ulteriori vantaggi si rilevano dalla seguente descrizione di esempi di attuazione e dalle rivendicazioni dipendenti.

Disegno

L'invenzione viene qui di seguito illustrata in maniera particolareggiata sulla scorta delle forme di attuazione rappresentate nel disegno dove:

la figura 1 è un diagramma a blocchi per l'attuazione del mododiprocedere inventivo; la figura 2 rappresenta l'andamento del segnale del valore nominale preassegnato dall'elemento calcolatore; e la figura 3 illustra un esempio di. realizzazione di un mezzo atto a convertire il valore nominale di forma impulsiva in un valore nominale analogico.

Descrizione di forme di attuazione

Nella figura 1 è rappresentata con l'indice 10 un'unità di comando che comprende almeno un elemento calcolatore. All'unità di comando 10 arrivano le linee di entrata 12 - 14 dei dispositivi di misura 16 - 18 per il rilevamento di dati di funzionamento del meccanismo motore e/o del veicolo, una linea di uscita 20 dell'unità di comando fa capo., eventualmente per il tramite di mezzi di adattamento 22, a mezzi di conversione 24. Il segnale di uscita 26 va al regolatore analogico di posizione 28, al quale arriva, inoltre, la linea di entrata 30. La linea analogico di uscita 32 del regolatore di posizione/28 porta ad un ulteriore mezzo di conversione 34, il quale è collegato, tramite la sua linea di uscita 36, ad uno stadio finale 38. Lo stadio finale 38 comanda, tramite le sue linee di uscita 40 e 41, un motore di comando 42, preferibilmente motore a corrente continua, collegato tramite un giunto meccanico 44 ad un elemento regolatore di prestazioni 46, in particolare farfalla di motore a combustione interna .non raffigurato inoltre il motore 42, il giunto 44 e la farfalla 46 sono raccordati, tramite un ulteriore collegamento attivo 4B, ad. un dispositivo di misura 50 che serve a rilevare la posizione dell'organo di regolazione 46, del giunto 44 e del motore 42. La linea di uscita 30 del dispositivo di misura 50 va al regolatore di posizione analogico 28. L'organo di regolazione da posizionare comprende, a seconda del tipo di costruzione, elemento regolatore di prestazioni 46, giunto 44, motore 42 e/o dispositivo di 'misura 50.

Il dispositivo della figura 1 serve ad. impostare l'organo regolatore in una posizione prestabi1ita. Quest'ultima è determinata dall'unità di comando io a seconda dei dati di funzionamento che vengono ad esso erogati in base, per esempio, a diagrammi caratteristic i, curve caratteristiche, tabelle o equazioni. Dati caratteristici di funzionamento sono qui, in particolare la posizione di un organo di manovra azionabile dal conducente in un cosiddetto sistema elettronico a pedale di accelerazione la tempeil

ratura del motore,/ numero di giri del motore; tensione della batteriailcarico del motore etc. in una regolazione del minimo^a velocità di marcia e segnali di azionamento di una leva di manovra con regolatori di velocità di marcia,il numero di giri delle ruote in sistemi di regolazione antis1ittamento, etc. Il mododiprocedere inventivo può essere vantaggiosamente adottato in tutte le dette appiicazioni. Un preferito caso di applicazione έ costituito da un apparecchio elettronico per il controllo del rendimento del motore con pedale elettrico di accelerazione, regolazione del minimo, regolazione della velocità di marcia e regolazione antislittamento tramite il posizionamento dell'organo di regolazione con un regolatore di posizione analogico.

Il valore nominale calcolato viene convertito dal calcolatore 10 in un segnale rettangolare di forma impulsiva, preferibilmente modulato in ampiezza di impulsi. Il calcolatore determina il rapporto impulsi del segnale attraverso la determinazione della lunghezza dell'impulso o la fine temporale dell'impulso nell'ambito della predeterminata durata di periodo del segnale di forma impulsiva.

un tale segnale è accennato nella figura 2, dove è rappresentato in orizzontale il tempo e in verticale il livello del segnale (PWM) emesso dall'unità di comando 10 sulla linea 20. La durata di periodo TQ è predeterminata come valore fisso, mentre la larghezza d'impulso t o il rapporto impulsi t/T sono determinati dall'elemento calcolatore in base ai dati di funzionamento. In altri termini, la desiderata posizione del regolatore di posizione è erogata dall'unità di comando in maniera digitale mediante un segnale modulato come larghezza d'impulsi. Il rapporto impulsi (t/Tg) di questo segnale è qui in relazione lineare con il valore nominale del regolatore analogico di posizione, che è formato mediante conversione (nell'elemento 24) a partire dal segnale Pl-JM, e quindi anche in relazione sostanzialmente lineare rispetto alla posizione dell'organo di regola— zione e, nel preferito esempio d'attuazione, rispet— to alla posizione dell'unità a farfalla in una gamma goniometrica che va da circa 0 fino a 90°.

In altre vantaggiose esecuzioni, il segnale di valore nominale digitale generato dall'elemento calcolatore può essere un segnale di forma impulsiva con durata di periodo TQ variabile in base ai dati di esercizio e larghezza fissa di impulso t e, con durata fissa di periodo T_. e tempo variabile (T-t), o n può essere un segnale a dente di sega con durata di periodo fissa e passo variabile (con tempo di crescita preassegnato) oppure durata di periodo variabile oppure ancora un segnale triangolare.

Il segnale modulato in ampiezza di impulsi, formato dal computer, passa eventualmente attraverso un elemento adattatore di livello 22, il quale esegue un adattamento di livello e/o una limitazione di livello, a seconda del tipo di appiicazione, per adeguare alla precisione dell'applicazione il livello di tensione in uscita dall'unità di comando. Ciò perché il regolatore di posizione analogico 28, che segue più tardi, effettua il posizionamento dell'organo di regolazione secondo valori di segnale assoluti. La precisione di posizionamento aumenta, pertanto, con l'aumentare del livello del segnale di uscita. Inoltre, può essere necessario osservare un livello massimo che può essere elaborato dal regolatore di posizione.

Dopo l'adeguamento del livello, il segnale modulato in ampiezza di impulsi viene erogato ai mezzi di conversione 24, i quali convertono il segnale modulato in ampiezza di impulsi in un segnale analogico di tensione u1.. Detti mezzi di conversione 24 comprendono, in un preferito esempio di attuazione, mezzi filtranti o integratori discretamente strutturati, la cui struttura e il cui dimensionamento sono studiati in base al tipo di applicazione con riguardo alla dinamica e all'ondulazione residua del segnale u1 , E stato rilevato che, come mezzi di conversione, sono particolarmente adatti filtri passabasso. A seconda del tipo di applicazione si possono adottare filtri passabasso, attivi o passivi, di ordine vario. In un preferito esempio di attuazione si è rilevato che un filtro passabasso del quarto ordine, come per es. quello rappresentato nella figura 3, dà buoni risultati per quanto riguarda ondulazione residua e dinamica allorché viene modificato il segnale modulato in ampiezza di impulsi.

Altri mezzi filtranti o integratori possono presentare, in altri esempi di attuazione, effetti altrettanto ‘vantaggiosi

Il segnale analogico di tensione u viene applicato, tramite la linea 26, come valore nominale di posizione al regolatore di posizione analogico 28, il quale regolatore, strutturato in modo convenzionale, è costituito ad es. da amplificatori operazionali e, a seconda del tipo di applicazione, presenta un comportamento proporzionale, integrale e/o differenziale. Il mododiprocedaneproposto dall'invenzione rivela, però, i suoi vantaggi anche con altri tipi di regolatori come ad es. regolatori a due o a tre punti etc. Nel regolatore di posizione analogico 28, a partire dal valore nominale U1 e dalla posizione dell'organo di regolazione u, (valore effettivo) rilevata dall'unità di misura 50, viene formata una misura per la differenza fra valore nominale e valore effettivo e tale misura viene erogata, come segnale di uscita del regolatore, al mezzo di conversione 34. Qui la tensione analogica viene riconvertita in un segnale di pilotaggio modulato in ampiezza di impulsi e, tramite la linea 36, viene erogato al circuito 38 dello stadio finale. I mezzi di conversione 34 formano il segnale modulato in ampiezza di impulsi, per esempio nel modo convenzionale, mediante un confronto tra il segnale di tensione analogico U3 e un valore di tensione presentante nel tempo un andamento a denti di sega oppure a triangolo, con durata di periodo fissa.

Il segnale 36 modulato in ampiezza di impulsi comanda, nel preferito esempio di attuazione, uno stadio finale a ponte integrale 38 per il comando di un motore a corrente continua, il quale motore a corrente continua 42 viene mosso verso la posizione desiderata fino a che la differenza fra valore nominaie e valore effettivo non diventi praticamente pari a zero, cioè fino a quando non sia raggiunta la posizione desiderata.

L'elemento misuratore 50, che rileva la posizione dell'organo di regolazione, può nel caso più semplice essere eseguito come potenziometro e, in altre applicazioni, come sensore di posizione senza contatto.

Oltre al preferito esempio di attuazione di un regolatore di posizione di farfalla per motore a combustione interna, il procedimento inventivo può essere adottato vantaggiosamente anche nel contesto di regolazioni di posizione con motori a passi, con attuatori rotanti o nel quadro di impianti di climatizzazione, aste di regolazione o leve di pompe di iniezione. Inoltre, il mododiprocedereinventivo basato sul valore nominale digitale può essere applicato, mediante un segnale di forma impulsiva con almeno un parametro modificabile, contestualmente ad altri regolatori di tipo analogico montati in autoveicoli come per es. regolatori del numero dei giri, regolatori di pressione, regolatori di portata dell'aria etc.

La figura 3 illustra un preferito esempio di attuazione del mezzo di conversione 24, cioè un filtro passabasso attivo di quarto ordine. Presso l'entrata 1D0 del mezzo di conversione 24 vi è il segnale PMW modulato in ampiezza di impulsi dell'unità di comando 10, eventualmente adattato oppure limitato come livello, il quale segnale giunge - tramite una resistenza Ri, un punto di connessione 102, una resistenza R2 e un punto di connessione 104 - all'entrata positiva di un amplificatore operazionale 106. Dal punto di connessione 104, un condensatore C1 si collega a massa. L'uscita dell'amplificatore operazionale 106 arriva ad un punto di connessione 108, da cui un condensatore si collega al punto di connessione 102, mentre una linea 110 ritorna alla entrata negativa dell'amplificatore operazionale 106, inoltre, dal punto di connessione 109 una terza resistenza R3 arriva - tramite un punto di connessione 112, una quarta resistenza R4 e un punto di connessione 114 - all'entrata positiva di un secondo ampiificatore operazionale 116. Dal punto di connessione 114, un condensatore σ3 si collega a massa. L'uscita del1'ampiificatore operazionale 116 arriva ad un punto di connessione 118, dal quale un condensatore c4 si collega al punto di connessione 112, mentre una linea 120 ritorna all'ingresso negativo dell'amplificatore operazionale 116 e una quinta resistenza R_5 si collega a massa. Inoltre, nel punto di connessione 118, si trova l'uscita U1 del mezzo di conversione 24.

Il circuito indicato rappresenta un passabasso di quarto ordine. Da ricerche effettuate è risultato che l'ondulazione residua del segnale - con un livello del segnale PWM di circa 5 V, una scelta appropriata e un dimensionamento appropriato degli elementi circuitali - è di circa 100 microvolt, invece, il filtro passabasso di secondo ordine opportunamente strutturato (R3, R4, 03. 04, R5, amplificatore operazionale 116) presenta, a parità di livello del segnale PWM, un'ondulazione residua pari a circa 20 millivolt, in stato transitorio. Per applicazioni ad elevata risoluzione ed esigua ondulazione residua, un filtro passabasso di quarto ordine rappresenta, pertanto, una preferita esecuzione del mezzo di conversione 24, mentre in altre esecuzioni può essere sufficiente un filtro di secondo ordine.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1 . Procedimento per posizionare un organo di regolazione ad azionamento elettrico, - con un mezzo di regolazione, al quale viene erogato almeno un segnale rappresentativo della posizione desiderata, - con almeno un elemento calcolatore che genera, in base ai dati di funzionamento, il segnale rappresentativo della posizione desiderata, caratterizzato dal fatto che: - il segnale rappresentativo della posizione desiderata è un segnale di forma impulsiva con almeno un parametro variabile generato da. almeno un elemento calcolatore .
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il parametro variabile del segnale di forma impulsiva ne rappresenta la larghezza di impulso con durata fissa di periodo, la durata di periodo con ampiezza fissa di impulso oppure il rapporto impulsi.
3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sono previsti mezzi di conversione che trasformano il segnale di forma impulsiva in segnale analogico di tensione.
4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di conversione sono mezzi filtranti.
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di conversione sono filtri passabasso, preferibilmente di quarto ordine.
6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno un elemento calcolatore genera il segnale di forma impulsiva in base ai dati di esercizio, ove il parametro variabile viene determinato in base ai dati di funzionamento e il segnale di forma impulsiva viene convertito dai mezzi di conversione in un segnale analogico rappresentativo della desiderata posizione dell'organo di regolazione.
7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di regolazione comprendono anche un regolatore analogico di posizione, al quale viene erogato il segnale analogico per la desiderata posizione come pure un segnale di valore effettivo rappresentante la posizione dell'organo di regolazione e il quale rileva una misura per la differenza tra valore nominale e valore effettivo.
8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il segnale di uscita del regolatore analogico di posizione viene convertito in un segnale modulato in ampiezza di impulsi per il pilotaggio dell'organo di regolazione azionabile elettricamente,
9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’organo di regolazione ad azionamento elettrico è una farfalla, di autoveicolo, che viene azionata tramite un motore elettrico, un motore a corrente continua o un azionatone rotante.
10, Dispositivo per posizionare un organo di regolazione ad azionamento elettrico, - con almeno un elemento calcolatore per generare un segnale rappresentativo della desiderata posizione dell'organo di regolazione, - mezzi di impostazione atti a impostare la desiderata posizione mediante azionamento dell'organo di regolazione, caratterizzato dal fatto che: - il segnale generato dall'elemento calcolatore rappresenta un segnale di forma, impulsiva con almeno un parametro variabile, ove il valore dell'almeno un parametro variabile è una misura per la posizione desiderata .