DE19651062A1

DE19651062A1 - System zur Regelung der Position eines Motors

Info

Publication number: DE19651062A1
Application number: DE1996151062
Authority: DE
Inventors: Henning Irle; Peter Overmann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: DE19651062C2

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Position eines Motors mit einem Regeldifferenzbildner, welcher den Sollwert und den Istwert einer von der Position des Motors abhängigen Regelgröße vergleicht und die Regeldifferenz einem Regler zuführt, mit einem Regler, welcher ein pulsweitenmoduliertes digitales Signal erzeugt, dessen Tastverhältnis vom Wert der Regeldifferenz abhängt, und der ein digitales Richtungssignal erzeugt, welches vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt, und der diese Signale einer Ansteuerschaltung zuführt, welche eine aus vier elektronischen Lastschaltern bestehende Brückenschaltung zur Ansteuerung des Motors sowie eine Ansteuerlogik zur Umsetzung des pulsweitenmodulierten Signales und des Richtungssignales in Ansteuersignale für die Lastschalter aufweist.

In dem Prospekt "Power IC Application Notes" der Firma International Rectifier ist in dem Artikel "Introducing the IR8200 DMOS H-Bridge Power IC" von A. Dubhashi, B. Pelly und S. Young ein Regelsystem beschrieben (siehe insbesondere Seite 14, Fig. 20), bei dem das Drehmoment eines Motors mittels eines pulsweitenmodulierten Signales und eines Richtungssignales geregelt wird.

Das dargestellte Regelsystem ist ein System zur Regelung der Position eines Motors gemäß des Oberbegriffs unseres Hauptanspruches 1, da zur Einstellung und Einhaltung eines dem Motor vorgegebenen Drehmoments, dessen Position gegen eine Rückstellkraft auf einen festen Wert eingeregelt wird.

Bei dem Regelsystem nach dem Stand der Technik wird das Richtungssignal durch einen Komparator erzeugt, der für die beiden Drehrichtungen des Motors einander entgegengesetzte logische Ausgangssignale erzeugt.

Nachteilig an einem solchen vorbekannten Regelsystem ist, daß es sich nicht fehlertolerant gegenüber dem nachfolgend beschriebenen Fehlerfall verhält. Kommt es durch Verschmutzung, Kondensat, defekte Bauteile o. ä. zu einer Verbindung des PWM-Einganges der Ansteuerschaltung mit einer positiven Versorgungsspannung, so liegt an diesem Eingang damit ein Signal an, welches einem hundertprozentig pulsweitenmodulierten Signal entspricht. Hierdurch steuert die Ansteuerschaltung den Motor mit der größtmöglichen Leistung an. Da aber das pulsweitenmodulierte Signal des Reglers nun nicht mehr an der Ansteuerschaltung anliegt, besteht die einzige Beeinflussungsmöglichkeit der Motorposition nur über das Richtungssignal, welches nun ständig umschaltet, wenn der Motor über seine Sollposition hinausläuft, so daß es zu starken Regelschwingungen um die Sollposition herum kommt. Damit ist eine brauchbare Regelung der Motorposition nicht mehr gegeben. Je nach Art des geregelten Systems können sich diese Regelschwingungen sogar sicherheitskritisch auswirken.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Regelsystem zu schaffen, welches sich auch gegenüber diesem Fehlerfall fehlertolerant verhält und darüber hinaus sogar ein Weiterregeln der Motorposition ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß, ausgehend von einem statischen Richtungssignal, welches für eine vorgegebene Drehrichtung des Motors den logischen Wert "0" hat und für die entgegengesetzte Drehrichtung den logischen Wert "1" aufweist, der Regler an die Ansteuerschaltung ein dynamisches Richtungssignal gibt, welches der Regler nach folgender Vorschrift bildet:

a) Hat das pulsweitenmodulierte Signal den logischen Wert "0", so ist der logische Wert des dynamischen Richtungssignales ebenfalls "0".
b) Ist der logische Wert des pulsweitenmodulierten Signales "1", so ist der Wert des dynamischen Richtungssignales gleich dem logischen Wert des statischen Richtungssignales.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regelsystems soll im folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Regelsystems,

Fig. 2 den Aufbau der Ansteuerschaltung,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm eines Regelsystems nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm eines erfindungsgemäßen Regelsystems,

Fig. 5 den Impulsverlauf des Richtungssignales, und zwar erstens ohne Fehler des pulsweitenmodulierten Signales und zweitens bei einem Fehler des pulsweitenmodulierten Signales.

Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Systems zur Regelung der Position eines Motors (5) in seiner Gesamtheit. Es sei beispielhaft angenommen, daß der Motor (5) zur Betätigung einer nicht dargestellten Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, welche durch eine, ebenfalls nicht dargestellte, Rückstellfeder mit einer positionsabhängigen Rückstellkraft beaufschlagt wird.

Zur Einstellung einer vorgegebenen Drosselklappenposition muß daher der Motor (5) ein entsprechendes Drehmoment erzeugen. Hierzu wird der Motor (5) durch ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) getaktet angesteuert, wobei das zu erzeugende Drehmoment dem Motor (5) durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) vorgegeben wird.

Um eine Regelung der Motorposition zu ermöglichen, ist ein Positionssensor (6), ausgeführt zum Beispiel als Potentiometer, mit der Welle des Motors (5) oder einem anderen durch den Motor (5) beweglichen Element verbunden. Der Positionssensor (6) liefert ein dem Istwert der Motorposition entsprechendes Signal an den Regeldifferenzbildner (1). Der Regeldifferenzbildner (1) vergleicht den Istwert des Regelsignals mit dem von einem Sollwertgeber (7) (ausgeführt zum Beispiel durch ein Motorsteuergerät oder, im einfachsten Fall, durch einen Fahrpedalgeber) vorgebenen Sollwert und führt die Differenz zwischen Sollwert und Istwert als Regeldifferenz dem Regler (2) zu.

Der Regler (2) generiert aus der Regeldifferenz zwei digitale Signale: das pulsweitenmodulierte Signal (PWM), dessen Tastverhältnis das vom Motor (5) abzugebende Drehmoment bestimmt, und das Richtungssignal (DIR), welches die Drehrichtung des Motors (5) vorgibt. Das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) bildet der Regler (2) dabei aufgrund des Wertes der Regeldifferenz, während das Richtungssignal (DIR) durch das Vorzeichen der Regeldifferenz bestimmt wird.

Beide digitalen Signale (DIR, PWM) werden der Ansteuerschaltung (4) zugeführt, welche aufgrund dieser Signale die Ansteuerung des Motors (5) vornimmt. Weiterhin sind in der Fig. 1 die positiven Versorgungsspannungen (+UR, +UA) des Reglers (2) und der Ansteuerschaltung (4) dargestellt, sowie ein Umschalter (3), welcher den Eingang der Ansteuerschaltung (4) für das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) in der Schaltstellung (A) mit dem entsprechenden Ausgang des Reglers (2) verbindet und in der Schaltstellung (B) den Eingang der Ansteuerschaltung mit einer der Versorgungsspannungen (+UR, +UA) verbindet.

Es sei hervorgehoben, daß der Umschalter (3) kein originäres Bauteil des Regelsystems darstellt, sondern lediglich zur deutlicheren Darstellung eines möglichen Fehlers im Regelsystem in die Fig. 1 aufgenommen ist.

Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise des in der Fig. 1 dargestellten Regelsystems wird nachfolgend anhand der Fig. 2 der Aufbau der Ansteuerschaltung (4) näher erläutert.

Die Ansteuerschaltung (4) weist eine Brückenschaltung, bestehend aus vier Lastschaltern (S1, S2, S3, S4), auf, welche die Anschlüsse des Motors (5) wechselweise an die Pole (+UA) bzw. Masse anschaltet. Die hier durch einfache Schalter symbolisierten Lastschalter (S1, S2, S3, S4) sind in der Realität als elektronische Lastschalter, und zwar vorzugsweise als MOS-Leistungstransistoren, ausgeführt.

Die Ansteuerung der Lastschalter (S1, S2, S3, S4) erfolgt durch eine Ansteuerlogik (AL), und zwar in Abhängigkeit des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) und des Richtungssignales (DIR).

So führt die Ansteuerschaltung (4) bei dem anliegenden Richtungssignal (DIR = 0) über die Ansteuerung der Lastschalter S1 und S3 aus, was den Linkslauf des Motors (5) bewirkt. Entsprechend führt die Ansteuerschaltung (4) beim Richtungssignal (DIR = 1) die Ansteuerung der Lastschalter S2 und S4 aus, was den Motor (5) in den Rechtslauf steuert. Das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) bewirkt darüber hinaus, daß die Ansteuerlogik (AL) die Lastschalter (S1, S2, S3, S4) getaktet ansteuert.

Den logischen Zusammenhang zwischen den Eingangssignalen (PWM, DIR) der Ansteuerlogik (AL) und den von der Ansteuerlogik (AL) erzeugten Ansteuersignalen für die Lastschalter (S1, S2, S3, S4) zeigt die Fig. 3.

Beispielhaft wird hier ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) mit einem Tastverhältnis von 25% angenommen, das heißt, der anzusteuernde Motor ist während 1/4 der Zeit eingeschaltet und während 3/4 der Zeit ausgeschaltet.

Weiter sei angenommen, daß das Richtungssignal (DIR) während der ersten beiden Taktzyklen des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) low (DIR = 0) sei und so der Ansteuerlogik eine Ansteuerung des Motors zum Linkslauf vorgibt und daß während der nächsten drei Taktzyklen des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) das Richtungssignal den logischen Wert high (DIR = 1) aufweise, so daß während dieser Ansteuerphase der Motor in den Rechts lauf gesteuert wird.

Weiterhin sei im folgenden angenommen, daß ein high-Signal zur Ansteuerung eines Lastschalters (S1, S2, S3, S4) diesen einschaltet und ein low-Signal den entsprechenden Lastschalter (S1, S2, S3, S4) abschaltet.

Wie erkennbar ist, ist während der Linkslaufphase der Lastschalter S3 ständig eingeschaltet, während der Schaltzustand des Lastschalters S1 dem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) folgt, wodurch eine getaktete Ansteuerung des Motors (5) mit 25% Einschaltzeit erreicht wird. Erwähnenswert ist, daß während der Ausschaltphasen des Lastschalters S1 jeweils der Lastschalter S4 eingeschaltet ist. Damit wird während der Taktpausen des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) der Motor über die Lastschalter S3 und S4 kurzgeschlossen und so ein unerwünschtes Nachlaufen des Motors verhindert.

Die Lastschalteransteuerung in der Rechtslaufphase erfolgt entsprechend durch ein andauerndes Einschalten des Lastschalters S4 und ein getaktetes Einschalten des Lastschalters S3, wobei zudem durch ein Einschalten des Lastschalters S3 in den Taktpausen des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) das Abbremsen des Motors erreicht wird.

Bei bekannten Regelsystemen ist das Richtungssignal (DIR) einfach ein logisches Signal mit jeweils einem vorgegebenen Logikpegel für jede Drehrichtung des Motors. Es kann daher für eine festgelegte Drehrichtung als statisches Richtungssignal bezeichnet werden.

Das erfindungsgemäße Regelsystem zeichnet sich dagegen durch ein davon abweichend gebildetes "dynamisches" Richtungssignal (DIR_dyn) aus, welches in der Fig. 4 dargestellt ist.

Dieses dynamische Richtungssignal (DIR_dyn) wird durch den Regler nach folgender Vorschrift gebildet:

a) DIR_dyn = 0, wenn PWM = 0;
b) DIR_dyn = DIR (entsprechend dem statischen Richtungssignal in der Fig. 3), wenn PWM = 1

Den hieraus resultierenden Verlauf für das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn) für das gleiche Regelbeispiel wie in der Fig. 3 zeigt die Fig. 4.

Das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn) ist konstant low im Falle der Linkslaufansteuerung und folgt bei Rechtslaufansteuerung dem pulsweitenmodulierten Signal (PWM). Gibt man das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn) der Rechtslaufphase an die Ansteuerschaltung, so erwartet man zunächst ein ständiges Umschalten zwischen Linkslauf und Rechtslauf des Motors. Da aber genau zu den Zeiten, wo das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn) in der Rechtslaufphase auf low liegt, und damit eigentlich eine Linkslaufansteuerung des Motors zu erwarten wäre, auch das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) auf low liegt, und damit überhaupt keine Motoransteuerung erfolgt, ist der Ansteuersignalverlauf an den Lastschaltern (S1, S2, S3, S4) exakt identisch zu dem in der Fig. 3.

Im Normalfall ergibt sich daher kein Unterschied zwischen der Beaufschlagung der Ansteuerlogik mit einem statischen Richtungssignal (DIR) wie in der Fig. 3 oder mit einem dynamischen Richtungssignal wie in der Fig. 4.

Der besondere Vorteil des bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem verwendeten dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn) erweist sich dagegen im Fehlerfall. Zur Erläuterung sei nochmals auf die Fig. 1 verwiesen. Der Fehlerfall ist beispielhaft durch ein Umschalten des Umschalters (3) in die Schaltstellung (B) simuliert. In der Realität ist hierbei weniger an einen Schalter als an Leiterbahnunterbrechungen, Zerstörung des Ausgangs für das pulsweitenmodulierte Signal des Reglers (2) durch Überlast, Störungen durch elektrostatische Entladungen oder elektromagnetische Einstrahlungen, Verschmutzungen und Lötperlen auf der Platine o. ä. zu denken. Überbrückungen können zur Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung (+UA) oder auch zu der Versorgungsspannung (+UR) des Reglers (2) auftreten. Der Fehlerfall ist des weiteren beispielhaft für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung mit high-duty angegeben. Bei low-duty sind entsprechend Überbrückungen nach Masse kritisch.

Tritt der Fehlerfall ein, so ist der Regelkreis teilweise unterbrochen. Das vom Regler (2) abgegebene pulsweitenmodulierte Signal (PWM) erreicht die Ansteuerschaltung (4) nicht. Statt dessen erhält die Ansteuerschaltung (4) die Fehlinformation, daß ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis von 100% anliegt. Dadurch erhält der Motor (5) keine getaktete Ansteuerung mehr, sondern eine Vollzeitansteuerung.

Da die Positionsregelung des Motors (5) nur noch über das Richtungssignal erfolgt, wird bei einem statischen Richtungssignal (DIR) der Motor (5) nun mit voller Kraft in Richtung auf den Sollwert gesteuert. Durch die ungetaktete Ansteuerung des Motors (5) wird hierbei allerdings viel zu viel Energie in das System gebracht, die Motorposition schießt über ihren Sollwert hinaus und wird im nächsten Moment, und zwar ebenfalls mit voller Kraft, in die Gegenrichtung gesteuert. Das Ergebnis ist eine stark schwingende Regelung, die eine brauchbare Motorpositionierung nicht erlaubt. Im Extremfall kann es hierbei durch das Auflaufen des Motors gegen mechanische Endanschläge sogar zu mechanischen Zerstörungen kommen.

Das erfindungsgemäße Regelsystem mit einem dynamischen Richtungssignal verhält sich in einem solchen Fehlerfall hingegen fehlertolerant. Die Sollposition des Motors (5) regelt sich nun allein über das Richtungssignal (DIR_dyn) ein, dessen Tastverhältnis durch den Regler (2) so eingestellt wird, daß die Sollposition des Motors (5) erhalten bleibt (wobei anzumerken ist, daß der Regler (2) "eigentlich" das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) ändert, und zwar deutlich, so daß es zu einem Sprung im Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) kommt). Da das pulsweitenmodulierte Signal aber nicht mehr am Eingang der Ansteuerschaltung (4) ankommt und zudem das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn), wie oben beschrieben, an das pulsweitenmodulierte Signal gekoppelt ist, erfolgt die Regelung nun tatsächlich allein über das dynamische Richtungssignal (DIR_dyn).

Das System ist somit nach sehr kurzer Zeit weiterhin in der Lage zu regeln. Versuche haben gezeigt, daß nahezu kein Verlust in der Regelgüte für diesen Fehlerfall zu erkennen ist. Die Regelung arbeitet im skizzierten Fehlerfall wie folgt: Das Vorzeichen der Motoransteuerung wird mit der Frequenz des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) umgepolt. Die Schalter S1, S3 und S2, S4 sind im Wechsel geschaltet. Bei einer pulsweitenmodulation des Richtungssignales (DIR_dyn) von 50% ist die mittlere Spannung am Motor (5) gleich Null. Bei 51% Pulsweitenmodulation überwiegt die Rechtslaufrichtung, bei 49% Pulsweitenmodulation die Linkslaufrichtung des Motors. Die Sollposition des Motors (5) kann so durch Regelung der pulsweitenmodulation des Richtungssignales (DIR_dyn) gehalten werden.

Die Fig. 5 verdeutlicht dieses an einem Beispiel. Angenommen, der Motor benötigt bei einem Regelsystem "ohne Fehler" 25% Bestromung in Rechtsrichtung, um seine Position entgegen der Federkraft zu halten. Dieses entspricht dem Impulsdiagramm der Fig. 4 in der Rechtslaufphase.

Das Richtungssignal (DIR_dyn) "ohne PWM-Fehler" ist in der Fig. 5 nochmals dargestellt, es entspricht, wie bereits erläutert, dem pulsweitenmodulierten Signal (PWM). Steigt das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signales an der Ansteuerschaltung nun im Fehlerfall (gestrichelt dargestellt) auf 100% an, so reagiert die Regelung mit der Einstellung des in der unteren Zeile dargestellten dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn). Deren Tastverhältnis kann berechnet werden, mit
t_L: zeitlicher Anteil für Linkslauf,
t_R: zeitlicher Anteil für Rechtslauf,
durch die Bedingungen:
Überschuß Rechtslauf: t_R - t_L = 25% und
Ansteuerung insgesamt t_R + t_L = 100%
zu t_R = 62,5% und t_L = 37,5%.

Das heißt, das Tastverhältnis beträgt 62,5%. Vorteilhafterweise regelt sich bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem dieses Tastverhältnis im Fehlerfall vollautomatisch ein.

Bezugszeichenliste

1

Regeldifferenzbildner

2

Regler

3

Umschalter

4

Ansteuerschaltung

5

Motor

6

Positionssensor

7

Sollwertgeber
A, B Schaltstellungen (des Umschalters

3

)
AL Ansteuerlogik
DIR Richtungssignal
DIR_dyn dynamisches Richtungssignal
PWM pulsweitenmoduliertes Signal
S1, S2, S3, S4 Lastschalter
+UA positive Versorgungsspannung (der Ansteuerschaltung)
+UR positive Versorgungsspannung (des Reglers)

Claims

1. System zur Regelung der Position eines Motors mit einem Regeldifferenzbildner (1), welcher den Sollwert und den Istwert einer von der Position des Motors (5) abhängigen Regelgröße vergleicht und die Regeldifferenz einem Regler (2) zuführt, mit einem Regler (2), welcher ein pulsweitenmoduliertes digitales Signal (PWM) erzeugt, dessen Tastverhältnis vom Wert der Regeldifferenz abhängt, und der ein digitales Richtungssignal (DIR) erzeugt, welches vom Vorzeichen der Regeldifferenz abhängt, und der diese Signale (PWM, DIR) einer Ansteuerschaltung (4) zuführt, welche eine aus vier elektronischen Lastschaltern (S1, S2, S3, S4) bestehende Brückenschaltung zur Ansteuerung des Motors (5) sowie eine Ansteuerlogik (AL) zur Umsetzung des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) und des Richtungssignales (DIR) in Ansteuersignale für die Lastschalter (S1, S2, S3, S4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem statischen Richtungssignal (DIR), welches für eine vorgegebene Drehrichtung des Motors (5) den logischen Wert "0" hat und für die entgegengesetzte Drehrichtung den logischen Wert "1" aufweist, der Regler (2) an die Ansteuerschaltung (4) ein dynamisches Richtungssignal (DIR_dyn) gibt, welches der Regler (2) nach folgender Vorschrift bildet:

a) Hat das pulsweitenmodulierte Signal (PWM) den logischen Wert "0", so ist der logische Wert des dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn) ebenfalls "0".
b) Ist der logische Wert des pulsweitenmodulierten Signales (PWM) "1", so ist der Wert des dynamischen Richtungssignales (DIR_dyn) gleich dem logischen Wert des statischen Richtungssignales (DIR).

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (5) eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug betätigt.