JP2007513597A5 - - Google Patents

Description

サーボモータ用の制御部

本発明は、調整要素を駆動する電気式サーボモータ，目標値を与えるポテンショメータ，サーボモータに配置された実際値センサ並びに組み込まれた目標値と実際値とを比較する評価装置及び制御装置を有するモータードライバを備えた、調整要素を位置決めするための駆動装置に関する。さらに本発明は、車両内の調整要素、特に通気弁の移動を電気的に制御する方法に関する。この方法の場合、制御のための目標値が、ポテンショメータによってモータードライバを含む評価装置及び制御装置に対して転送される。そしてサーボモータで検出された実際値が、評価装置及び制御装置内で検出され、目標値と比較される。

このような駆動装置は、例えば車両内の通気弁を調整し位置決めするために設けられているか又は調整ループ若しくは制御ループ内の調整要素を移動させるために使用される。

このような駆動装置を実現する目的で、歯車装置を有するステップモータ又は歯車装置の出力部に固定されたポテンショメータを有する直流モータ又はモータ内に組み込まれたホールセンサを有する歯車付直流モータを使用することが公知である。通気弁が、例えば空気流の影響による外部の調整作用に起因して故意でなく調整されることを阻止するため、歯車装置を有するアクチュエータの場合、この歯車装置が通常セルフロック式に構成される。

ステップモータの場合、調整要素は、ステップごとの動作及び制御インパルスのカウントによって位置決めされる。ポテンショメータを有する直流モータの場合、公知でありかつドイツ連邦共和国特許第197 04 867号明細書中に記されているように、位置決めが、調節角度に比例するポテンショメータの電圧を測定することによって実施される。このとき、直流モータが、操作装置内の調整ポテンショメータによって操作される。

調整ポテンショメータが、１つの停止又は１つの最小値だけ変化する場合、調整ポテンショメータによるサーボモータの制御の分解能で問題が発生する。この場合、目標値と実際値との間の偏差が不十分に大きい。その結果、モータードライバのヒステリシスを超えず、サーボモータが起動しない。
ドイツ連邦共和国特許第197 04 867号明細書

本発明の課題は、サーボモータの制御の分解能を改善した回路を提供することにある。この回路は、モータードライバのヒステリシスに関係なく目標値の最小の変化時にもサーボモータを起動させ、同時に実際値を目標値に合わせる。しかもこの回路は、構造上簡単にかつ安価に製造しなければならない。さらに本発明の課題は、調整要素の移動を制御する方法を改良することにある。この方法は、良好な動特性を有し、目標値の最小の変化に応答する。さらにこの方法は、容易に調整されかつ任意の駆動装置内に組込み可能でなければならない。

本発明の課題は、インパルス信号が目標値に重畳可能であること、及び、このインパルス信号は、評価装置及び制御装置内に存在するモータードライバのヒステリシスを超えることによって解決される。操作装置内の調整ポテンショメータの最小調整移動時にも、実際値を目標値に合わせる可能性が、本発明の手段によって提供されている。全てがモータードライバのヒステリシスを超えるインパルス信号を目標値の上に重畳させることによって、サーボモータが、調整ポテンショメータの操作直後に起動され、このサーボモータは、プリセットされている最小偏差位置に移動する。したがって、目標値及び実際値は非常に迅速に再び合わせられる。この迅速な適合又は回路のより良好な動特性は、本発明の思想の利点である。一方ではインパルス列の周波数が、二進カウンタ内に組み込まれた発振器を使用することによって変更できる。さらに重畳の期間が、二進カウンタを用いて変更できる。本発明の別の構成では、もう１つの回路が、この周波数決定カウンタに後続接続されている。この回路は、インパルス生成器と結合回路とから構成される。インパルスの長さが、このインパルス生成器によって変更できる。正のインパルスが、この結合回路によって出力され得る。この場合、インパルス生成器は、主にＲＣ素子から構成される。結合回路は、ダイオードから構成される。

方法技術的な面では、本発明の課題は、カウンタがポテンショメータの調整ごとに組み込まれた発振器によって起動されること、及び、目標値が発振器内で生成された周波数に相当しかつ評価装置及び制御装置内に存在するヒステリシスを超えるインパルス信号で重畳されることによって解決される。本発明の手段によれば、モータードライバが、最小の目標値の変化時でも最小の経費で起動され得る。カウンタが、操作装置内の調整ポテンショメータを操作することによって組み込まれた発振器で起動される。この場合、この発振器内で生成された周波数が、調整ポテンショメータによって出力された目標値に重畳される。この場合、この周波数は、カウンタ内に存在する二進カウンタによって調整され得るか又は別の実施の形態では後続接続されたインパルス生成器及び結合回路によって変調され得る。この場合、目標値に重畳したインパルス信号は、サーボモータの起動だけに使用される。回路が、主に動的にかつ敏感に目標値の変化に反応するように、調整要素を移動させるために存在する電気制御部が、本発明の方法によって改良される。

以下に、本発明を図面及びグラフによって詳しく説明する：

図１中には、サーボモータ１を制御する組み込まれた補助回路２付きの回路の基本構造が示されている。この回路は、図示しなかった操作装置内の調整ポテンショメータから来る目標値３用の導線，実際値４を送る別の導線，組み込まれたモータードライバ６を有する回路装置５，目標値と実際値とを比較する評価装置７及び切替装置に接続されているサーボモータ１から構成される。補助回路２は、カウンタ８を有する。このカウンタ８は、主に二進カウンタ９及びカウンタ８に後続接続されたインパルス生成器及び結合回路１０から構成される。カウンタ８は、導線１１を通じて目標値３用の調整ポテンショメータに接続されている。その結果、開始インパルスが、調整ポテンショメータの操作要素を操作した直後に導線１１を通じてカウンタ８に送られる。カウンタ８内で生成された信号が、インパルス生成器及び結合回路１０を通じて結合点１２到達する。この生成された信号は、この結合点で目標値３に重畳される。さらに補助回路２はフィードバック１３を有する。カウンタ８が、このフィードバック１３によって二進カウンタ９で設定可能な時間後に停止される。フィードバック１３のこの停止信号は、同様に切替装置５に送られる。これによって、モータードライバ６が同様に停止される。

変更された目標値３が、調整ポテンショメータを通じて設定された場合、これによって同時に信号が、導線１１を通じてカウンタ８に送られる。周波数が、このカウンタ８内で二進カウンタ９内に組み込まれた発振器１４によって生成される。二進カウンタ９は、多数の出力部Ｑを有する。その都度の周波数を係数２ⁿ で除算したインパルス信号が、これらの出力部Ｑから出力される。この場合、ｎは、二進カウンタ９のそれぞれの出力部Ｑを示す。例えば、周波数400 Ｈｚの周波数が発振器内で生成され、二進カウンタの５番目の出力部が使用されない場合、分周可能な周波数が、計算400 ÷２ⁿ から得られる。この周波数は、25Ｈｚの周波数に一致する。この周波数は、20msごとのインパルス列に相当する。この実施の形態で示された回路図では、このインパルス列は、後続接続されたインパルス生成器及び結合回路１０に供給される。ここでは、インパルス列は、例えばＲＣ素子によって特に100 μs に低減され得る。正のインパルスが、ダイオードによって出力され得る。さらに好ましいインパルスは、10μs のインパルス期間を有する。インパルス生成器１０及び結合回路１０内で変調された信号が、結合点１２で新たに設定された目標値３に重畳され、後続接続された切替装置５内のモータードライバ６に送られる。目標値の変化が、モータードライバ６のヒステリシスを超えるのに十分でない程度に、操作装置の調整ポテンショメータ内の目標値の変化を低減しなければならない場合、目標値に重畳するインパルスの電圧ピークが、ヒステリシスに達してモータードライバ６を起動する。他方でこのことは、サーボモータ１の実際値を変化させ、したがって実際値を目標値に合わせる。したがって、本発明のサーボモータ１用の駆動装置に対する補助回路２の付加は、目標値３の最小の変化でもサーボモータ１を起動させる利点を提供する。

インパルスを目標値３に重畳させるために二進カウンタ９から取り出されるインパルス信号に加えて、カウンタ８を停止させる信号が、カウンタ８の二進カウンタ９の出力部で同様に取り出される。このさらに取り出された信号は、一方ではフィードバック１３され、他方では切替装置５及びそこに組み込まれたモータードライバ６に送られる。フィードバック１３の信号は、一方ではカウンタを停止させ、他方ではモータードライバ６が停止される信号を発生させる。したがって、二進カウンタ９の選択された出力部に応じて、目標値とインパルス信号との重畳期間が設定され得る。

目標値の最小変化に関するドライバ装置６の機能を説明するため、２つのグラフが図２中に示されている。この場合、上のグラフは、目標値３の経時変化を時間に対する絶対電圧値として示す。図２中の下のグラフは、サーボモータ１の時間ｔに対してプロットされている電圧変化Ｕ_M を示す。上のグラフでは、同様にドライバ装置６のヒステリシスがその上限１５及び加減１６で示されている。さらに実際値４の経時変化が、破線としてグラフ中に示した。サーボモータ１が、時点ｔ₀ に対して停止状態にある。目標値ポテンショメータが、時点ｔ₁ に対して操作装置を用いて操作者によって操作される。この場合、目標値は、最小値だけ変化する。印加される電圧の大きさのイメージを得るため、この実施の形態では約40mVの目標値の変化から開始してもよい。このことは、操作要素の停止又は停止装置なしの操作要素の最小変位に相当する。モータードライバ６のヒステリシスは、例えば目標値の上の偏差として100mV の大きさ有する。したがって時点ｔ₁ に対する目標値の変化は、モータードライバ６のヒステリシスを超えない。したがってサーボモータ１は起動されない。時点ｔ₂ に対する同様な最小変化も、ドライバ装置６のヒステリシスを超えない。その結果、サーボモータ１が同様に起動されない。時点ｔ₃ に対する目標値のもう１回の変化後に初めて、ヒステリシスの上限を超え、サーボモータ１が起動される。実際値が、この時点ｔ₄ から時点ｔ₅ にかけて目標値に追従する。実際値は、この時点ｔ₅ に対して目標値に再び合致されている。図２の下のグラフ中には、モータの電圧Ｕ_M が、期間ｔ₄ 〜ｔ₅ に時間の関数として示されている。以下に、目標値と実際値との間の合致を説明する。この合致は、このグラフでは同じ大きさの電圧を有するものの、必須ではない。むしろこのグラフでは、目標値３及び実際値４の電圧値の絶対値が一致することがない目標値３と実際値４との間の偏差を示す。このことは、特に図３中のグラフに対しても成立する。図２中の上のグラフは、従来の技術を示す。この従来の技術の場合、実際値は、目標値の非常に大きい変化の後だけに追従する。この欠点は、サーボモータ１を制御する本発明の補助回路を使用することで排除され得る。対応する目標値及び実際値の経時変化が、図３中に示されている。

図３は、サーボモータ１の制御の分解能を改善する本発明の補助回路を有する回路のインパルス図及び動作図である。図３中の上のグラフは、同様に目標値３の経時変化を示し、実際値４の偏差を破線として示し、ドライバ装置６のヒステリシスの上限１５及び下限１６を示す。さらにこのグラフは、補助回路２によって目標値３に重畳するインパルス１７を示す。調整要素つまりサーボモータ１が、時点ｔ₀ に対して停止状態にある。同様に、目標値のポテンショメータの目標値が、操作装置を用いて操作者によって例えば40mVの量だけ変化される。既に図１に対して説明したように、カウンタ８が導線１１を通じて起動され、インパルス信号１７が目標値１７に重畳される。インパルス信号１７は、本発明にしたがってヒステリシスの目標値３と上限１５との間の最大差より大きいので、インパルス信号１７が、ドライバ装置６のヒステリシスに達し、サーボモータ１を制御するモータードライバ６が起動される。図３の下のグラフ中に示すように、電圧Ｕ_M が、時点ｔ₂ に対してサーボモータに印加される。インパルス信号が、目標値３と実際値４との間の合致によって終了することが明確に分かる。何故なら、モータードライバ６がこの時点に対して遮断されるからである。これによって、サーボモータ１が目標値３の変化に追従することが、目標値３の最小の変化時にも本発明にしたがって保証される。この場合、実際値４が、新たにプリセットされた目標値に非常に迅速に合わせられる。目標値と実際値との間の合致のこの非常に良好な動特性は、本発明の別の利点を奏する。目標値ポテンショメータを反対方向に変位させた場合、サーボモータ１が反対方向に移動することは、当然に自明である。この場合、インパルス信号１７が、同様に目標値３に重畳し、サーボモータ１を制御する分解能を改善するために使用される。

実際の進行に関しては、目標値ポテンショメータの操作時に、二進カウンタ９に対するリセットが起動される。したがって、全ての出力部がＬに切り替えられ、時間が開始され、ドライバ装置６が起動される。この場合、時間つまりインパルス信号１７と目標値３との重畳時間が、説明したように二進カウンタ９の接続された出力部によって設定される。したがって、二進カウンタ９の接続された出力部に応じて、重畳時間が変更され得る。プリセット可能な時間が経過すると、出力部ＱがＨにセットされる。このＨ信号は、一方では後続接続された切替装置５つまりモータードライバ６に送られ、他方ではフィードバック１３を通じて入力としてカウンタ８に入力される。このＨ信号は、一方ではモータードライバ６を停止させ、他方ではフィードバック１３を通じてカウンタ８を遮断する。この場合、この時間は、以下で説明するように調整要素の最大調整時間を考慮した最大値に固定されている。目標値３及び実際値４の合致後に、評価ユニットによって検出され、モータードライバ６が再び遮断される。

調整要素が、サーボモータ１によって最大に変位する場合、すなわち目標値ポテンショメータが、操作者の操作によってその零位置からエンドストッパーまで調整される場合、サーボモータ１のこの最大移動時間は、カウンタ８から生成されたインパルスの最大期間に対する目安である。サーボモータ１が、一方のエンドストッパー、すなわち完全に開いてからその他方のエンドストッパー、すなわち完全に閉じるまで移動できる時間後に、カウンタ８を停止する出力信号が発生するように、フィードバック１３のための、すなわちカウンタ８を停止するための二進カウンタ９の出力が本発明にしたがって選択される。

調整要素を位置決めするための駆動装置用の回路の基本構造を示す。 従来の技術による制御回路の目標値−実際値の経時変化を示す。 組み込まれた本発明の補助回路を有する制御回路の目標値−実際値の経時変化のグラフである。

１ サーボモータ
２ 補助回路
３ 目標値
４ 実際値
５ 切替装置
６ モータードライバ
７ 評価ユニット
９ 二進カウンタ
１０ 結合回路
１２ 結合点
１３ フィードバック
１４ 発振器
１５ 上限
１６ 下限

Claims (9)

1. −調整要素を駆動させる電動サーボモータ（１），
   −目標値（３）を与えるポテンショメータ，
   −電動サーボモータ（１）に配置された実際値センサ，及び
   −目標値（３）と実際値（４）とを比較する組み込まれた評価装置及び制御装置（７）を有するモータードライバ（６）を備えた調整要素を位置決めする駆動装置において、
   目標値（３）が変動した場合に、インパルス信号（１７）が目標値（３）に重畳可能であること、及び、このインパルス信号（１７）は、評価装置及び制御装置（７）内に存在するモータードライバのヒステリシス（１５，１６）を超えることを特徴とする駆動装置。
2. インパルス信号（１７）は、プリセット可能な周波数で目標値（３）に重畳可能であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. インパルス信号（１７）の周波数は、発振器（１４）によって決定され、及び、その周波数で生成された信号が、後続接続されたインパルス整形器（１０）及び結合回路（１０）によって修正可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
4. 発振器（１４）は、二進カウンタ（９）の一部であること、及び、重畳期間が、二進カウンタ（９）によって調整可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動装置。
5. 目標値（３）とインパルス信号（１７）との重畳期間は、電動サーボモータ（１）の最大許容移動時間より大きいことを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 車両内の調整要素の移動を電気的に制御する方法にあって、この方法の場合、制御のための目標値（３）が、ポテンショメータによってモータードライバ（６）を含む評価装置及び制御装置（７）に対して転送され、電動サーボモータ（１）のセンサによって検出された実際値（４）が、評価装置及び制御装置（７）内で検出され、目標値（３）と比較される方法において、カウンタ（８）が、ポテンショメータの調整ごとに組み込まれた発振器（１４）によって起動されること、及び、目標値（３）が、発振器（１４）で生成された信号の周波数に対応した周波数でありかつ評価装置及び制御装置（７）に存在するモータードライバ（６）のヒステリシス（１５，１６）を超えるインパルス信号（１７）で重畳されることを特徴とする方法。
7. 目標値（３）とインパルス信号（１７）との重畳時間は、カウンタ（８）を構成する二進カウンタ（９）によって調整可能であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 発振器（１４）内で生成されたインパルス信号（１７）は、後続接続されたインパルス生成器（１０）及び連結回路（１０）によって修正されることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 実際値（４）は、変位角度に比例するポテンショメータの電圧を測定することによって算出されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。