Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Elektromotoren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Steuerung für mindestens einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 und die Verwendung dieser Steuerung.
In der DE 40 11 064 AI wird ein Steuerelement z. B. für Elektrofahrzeuge beschrieben welches manuell über ein Potentiometer bedient wird und die Möglichkeit der autonomen Regelung nicht aufweist.
Weiterhin ist aus DE 41 33 622 AI eine Drehzahlerfassung bei Antriebsanordnungen bekannt, die jedoch die Drehzahlen verschiedener Antriebe vergleicht. Im hier gegebenen Fall kommt es nicht auf die Erfassung der Drehzahl an, sondern es ist der Verlauf des Drehmomentes während jeweils einer Umdrehung des steuernden Antriebs zu ermitteln und auszuwerten.
Des weiteren sind Lösungen bekannt, die das Überschreiten eines Grenzwertes der Beschleunigung auswerten und z.B. Sicherungsmaßnahmen auslösen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für einen Elektroantrieb zu schaffen, welche bei niedrigen Kosten eine ausreichende Genauigkeit und hohe Robustheit erreicht.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die effektive Steuerung bei minimalem schaltungstechnischen Aufwand, indem die Beschleunigung des Teiles/Fahrzeuges erfaßt und daraus ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird und zur Ermittlung eines Sollwertes für die Stellgröße des Sekundärantriebes eine Auswertung erfolgt, wobei ein Primärantrieb (PA) mit einer ersten Leistung (x) und mindestens ein Sekundärantrieb (M) auf einem Beschleunigungssensor (BS) wirken und der Beschleunigungssensor (BS) mit einer Regelelektronik (RE) verbunden ist, welche die Schwankungen der Primärantriebsenergie erfaßt und auswertet und die Absolutwerte mit gespeicherten Kennlinien vergleicht und eine Stellgröße entsprechend des gemittelten Beschleunigungswertes (Z) für den Sekundärantrieb (M) erzeugt.
Erfindungsgemäß weist die Ansteuerung des Elektroantriebs einen Beschleunigungssensor auf, der sich im bewegten Teil des elektrischen Antriebssystems, vorzugsweise in einem Fahrzeug, befindet. Das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors trägt in der Ansteuerelektronik dazu bei, den gewünschten Sollwert für die Stellgröße des Antriebsystems zu ermitteln. Die Stellgröße ist vorzugsweise ein Wert für die Beschleunigung, die Leistung, das Drehmoment oder die Drehzahl. Bei der Bestimmung dieser Regelgröße wird vorzugsweise das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors mit in der Elektronik abgespeicherten Kennlinien verglichen. Bei der Auswertung dieses Vergleiches können auch weitere Einflußfaktoren wie Temperaturen, aktueller Geschwindigkeits- und Leistungswert, Horizoantallage, etc. berücksichtigt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau bekannter Beschleunigungssensoren,
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau bekannter Beschleunigungssensoren gemäß der Erfindung verwendeter Beschleunigungssensoren,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Meßwerterfassung
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines
Fahrradantriebss s ems
Diagramm 1 : Kurven zur Kraftverteilung eines Pedalantriebes
Diagramm 2 : Kurven zu BeschleunigungsSchwankungen von motorischen Antrieben
Die beschriebenen Anordnungen benutzen einen Beschleunigungssensor. Herkömmliche Beschleunigungssensoren funktionieren nach dem piezoelektrischen Prinzip: Eine bewegliche Masse, auf einem Piezoelement befestigt, übt je nach Richtung der Beschleunigung Zug oder Druck auf ebendieses Piezoelement aus und erzeugt so eine proportionale elektrische Spannung, die ausgewertet werden kann.
Nachteilig ist, daß derartige Anordnungen teuer sind und ein professionelles Meßequipment erfordern.
Die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Beschleunigungssensoren haben folgenden mikromechanischen Aufbau, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Sensor besteht aus einer beweglichen Elektrode in der Form eines Kamms. Die Zinken des Kamms sind von jeweils zwei Plättchen umgeben. Während die Plättchen fixiert sind, kann sich der Kamm und damit die einzelnen Zinken verschieben. Ein Zinken des Kamms bildet mit zwei benachbarten Plättchen zwei Kondensatoren (Cl und C2) . Im Ruhezustand befindet sich der Zinken genau in der Mitte der beiden fixierten Plättchen, so daß die Kapazität der beiden Kondensatoren gleich ist. Wird das System beschleunigt
(Fig. 2) , dann wird die bewegliche Elektrode mit den Zinken verschoben und die Kapazitäten ändern sich entsprechend der
Veränderung des Abstandes der Kammzinken zu den fixierten
Plättchen. Da es sich hier um winzige Kapazitätsänderungen handelt, besteht die Anordnung in der Praxis aus einer Vielzahl von Zinken und fixierten Plättchen, wodurch sich die variablen Kapazitäten addieren.
Die Messung selbst erfolgt gemäß Fig. 3 folgendermaßen: Ein Oszillator erzeugt zwei um 180° verschobene Rechtecksignale, die jeweils auf die beiden Plättchen geleitet werden. Im Ruhezustand, wenn beide Kapazitäten gleich sind, ist die Spannung an der beweglichen Elektrode gleich Null. Bei einer Beschleunigung sind die beiden Kapazitäten ungleich, so daß an der beweglichen Elektrode eine Spannung anliegt. Diese Spannung wird einem synchronen Demodulator zugeführt. Dieser Demodulator wird vom Eingangs erwähnten Oszillator getaktet. Erscheinen am Eingang des Demodulators Signale, die synchron und in Phase mit dem Oszillatorsignal sind, dann ist das Ausgangssignal positiv. Ist das Eingangssignal zwar synchron aber in der Phase um 180° gegenüber dem Takt verschoben, dann tritt ein negatives Ausgangssignal auf.
Die Erfindung kann vorteilhaft in einem Fahrradantriebsystem verwendet werden. Anhand dieses in Fig. 4 schematisch dargestellten Beispiels wird sie im Folgenden beschrieben.
Der Elektroantrieb des Fahrrades (M) soll möglichst exakt im vorgegebenen Verhältnis die Leistung (Y) zur Fortbewegung beitragen, wie es durch die eingeleitete Muskelleistung (X) des Fahrradfahrers über den Pedalantrieb (PA) der Fall ist. Hierzu sind in konventionellen Systemen aufwendige Meßvor- richtungen für Kraftsensoren üblich.
Dagegen basiert die vorliegende Steuerung auf einem im oder am Motor (M) untergebrachten Beεchleunigungssensor (BS) . Der Beschleunigungssensor (BS) gibt eine Spannung entsprechend der positiven oder negativen Beschleunigung a ab, die sich durch das schwankende Drehmoment an den Pedalen und das Drehmoment des Motors (M) oder durch andere Einflüsse, wie das Bremsen ergibt. Je höher die Pedalkraft d.h. die Leistung des Radfahrers ist, umso größer sind die Schwankungen zwischen
vertikaler und horizontaler Stellung der Tretkurbeln. Die Amplitude und die Frequenz dieser Schwankung (Diagramm 1) mit den zusätzlichen Einflüssen werden von der Regelelektronik (RE) erfaßt und ausgewertet, wobei die Absolutwerte mit im System abgelegten Kennlinien verglichen werden.
Das Diagramm 1 zeigt mit der Kurve 1 die stetige Steigerung der menschlichen Tretleistung. In Kurve 2 wird die im hohen Maße gleichmäßige Einleitung der menschlichen Kraft gezeigt. Schließlich wird in Kurve 3 die ungleichmäßige Einleitung der menschlichen Kraft gezeigt. Hier sind deutlich die Leistungsunterschiede zwischen linkem und rechten Bein zu erkennen. Die Anteile der negativen Beschleunigung stellen die Verluste des Fahrrades (Rollreibung etc.) dar. In der Kurve 4 sind die Beschleunigungswerte mit hinzugesetzter Motorleistung dargestellt .
Die abgelegten Kennlinien werden der gemessenen Tretfrequenz und den gemessenen Beschleunigungsamplituden angepasst und dann mit den aufgenommenen Kurven verglichen.
Ergebnis dieser durch entsprechende Programmierung beliebig intelligent und komfortabel ausführbaren Vergleiche ist wie in Fig. 4 dargestellt eine Drehmomentvorgäbe (Z) an den Elektromotor (M) des Fahrrades . Der Elektromotor (M) gibt ein während einer Periode (eine Umdrehung der Tretkurbel) gleichbleibendes oder stetig sich änderndes Moment (Kurve 4, Diagramm 1) mit einer wesentlich höheren Grundfrequenz ab. Die Grundfrequenz des Drehmomentes des Motors liegt beim 10 bis lOOfachem der Tretfrequenz des Fahrradfahrerε .
Der geringe Einfluß dieses Momentes kann bei der Simulationsrechnung der Ansteuerelektronik durch eine Rückführung des AnsteuerSignals Y ebenfalls berücksichtigt werden, so daß das Signal des Beschleunigungssensors (BS) bzgl. dieser Einflußgrδße bereinigt wird. Die Beschleunigung wird jeweils für zwei Halbe Pedalumdrehung durch eine Vielzahl von Meßwerten zur Auswertung erfaßt, da meist größere Unterschiede zwischen der eingeleitete Muskelkraft des linken und des rechten Beines bestehen (Kurve 3, Diagramm 1) . Neben
den Absolutwerten und Differenzwerten wertet die Elektronik auch den Verlauf in jeweils zwei Halbperioden aus, und kann anhand charakteristischer Verläufe den sich ändernden Fahrwiderstand (F) ebenfalls ermitteln und in die Berechnung einfließen lassen. Aus dem Mittelwert der Beschleunigungsdifferenz während einer Periode (Tretkurbelumdrehung) ergibt sich nun das Maß der Beschleunigung, die der Motorantrieb bewirken muß.
Die Erfindung kann beispielsweise in einem Fahrrad eingesetzt werden, das mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgerüstet werden soll. Der Hilfsantrieb wird dabei erfindungsgemäß gesteuert werden, um sicher zu stellen, daß das Fahrrad weiterhin als Fahrrad betrieben und die menschliche Tretleistung wesentlicher Bestandteil der Fortbewegung bleibt. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der Anteil der menschlichen Tretleistung auf 50% der Gesamtleistung des Systems (Fahrradfahrer und Elektromotor) festgelegt.
Zunächst wird die Beschleunigungscharakteristik mit Hilfe des Beschleunigungsεensors (BS) aufgenommen. .An Hand dieser Kurven kann ein Vergleich mit den im Prozessorsystem abgelegten Kurven festgestellt werden, ob überhaupt menschliche Tretleistung vorliegt oder ob andere Arten der Bewegung gegeben sind (z.B. Schieben des Fahrrades, Bremsen, Tragen des Fahrrades o.a.) .
Stellt die Microprozessorsteuerung fest, daß das Fahrrad vom Fahrradfahrer gefahren wird, dann werden die aufgenommenen Beschleunigungsverläufe ausgewertet. Wird nun im Mittel einer Periode (Beεchleunigungsdifferenz zwischen höchster und niedrigster Beschleunigung während einer Tretkurbelumdrehung) eine positive Beschleunigung ermittelt, so wird über den gleichgroßen folgenden Zeitraum (Periode) dieses Maß der Beschleunigung durch die Steuerung des Motors erzielt. Dieser Prozeß wird durch einen Microprozessor in Echtzeit überwacht. Da die Motorleistung nur abhängig von der Masse des Systems eine bestimmte Beschleunigung erzielt, muß das Maß der Beschleunigung ständig überwacht werden, um den vorgegebenen
Wert zu erreichen. Mit einer Echtzeitregelung kann die Masseabhängigkeit auf diese Weiεe ausgeglichen werden.
Ein weiterer Anwendungsfall sind Fahrzeuge mit elektrischen Antriebssystemen mit mindestens zwei Motoren, wobei ein Motor (Master) fremdgesteuert ist und der zweite Motor (Slave) in der bereits beschriebenen Weise gesteuert wird. In diesem Falle werden jedoch die technisch bedingten Beschleunigungsεchwankungen des Master-Motors (Diagramm 2) , die beim Betrieb entstehen, aufgenommen und ausgewertet. Die speziellen Charakteristiken der BeschleunigungsSchwankungen müssen jedoch zuvor aufgenommen und im Prozessorsyεtem abgelegt werden. Mit dem Ausgangssignal wird dann der Slave- Motor gesteuert .
Die relativ aufwendige Programmierung verteuert die Ansteuerung nur unwesentlich, während ein Beschleunigungssensor erheblich preisgünstiger und zuverlässiger ist als ein in eine spezielle Vorrichtung integrierter Kraftsensor.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsbeispiele zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlaεsen.