Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung einer getakteten Stellspannung

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer getakteten Stellspannung (u) wird diese mit einer elektrischen Steuergröße pulsdauermoduliert. Die Stellspannung dient zur Beaufschlagung eines eine Induktivität aufweisenden Stellantriebs, insbesondere eines elektromotorischen Stellantriebs (9) einer Drosselklappe (11) eines Verbrennungsmotors. Um zugleich eine gute periodische Anregung des Stellantriebs sowie eine niedrige elektrische Verlustleistung in dem Stellantrieb zu erzielen, wird die mit einer hohen Taktfrequenz (f₀) getaktete Stellspannung mit einer niedrigen Grundmodulationsfrequenz (f_m) zusätzlich zu der Steuergröße pulsdauermoduliert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer getakteten Stellspannung, die mit einer elektrischen Steuergröße pulsdauermoduliert wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

[0003] Elektrisch aktivierte Stellantriebe in Regelungs- und Steuerungsanlagen werden häufig mit einer getakteten Stellspannung beaufschlagt, die entsprechend der Stelleistung pulsdauermoduliert ist. Die Erzeugung der getakteten pulsdauermodulierten Stellspannung hat beispielsweise gegenüber der Erzeugung einer kontinuierlichen Gleichspannung einstellbarer Höhe den Vorteil, daß der gerätetechnische Aufwand und die Verlustleistung des Erzeugers verhältnismäßig gering gehalten werden können. In den Halbleiterelementen, die in der Leistungsstufe des Erzeugers einer getakteten Stellspannung verwendet werden, treten praktisch nur kurzzeitige Verlustleistungen während der Pulsflanken auf. - Außerdem wird die Taktung der Stellspannung nach dem Stand der Technik vorteilhaft dazu herangezogen, die Stelleinrichtung mechanisch periodisch anzuregen, um die die Genauigkeit beeinträchtigenden Einflüsse der mechanischen Hysterese zu vermindern oder zu beseitigen.

[0004] Zu dem letztgenannten Zweck ist insbesondere bei einer Verwendung eines elektromotorischen Stellantriebs zur Betätigung einer Drosselklappe eines Verbrennungsmotors eine Taktfrequenz von 130 - 160 Hz üblich. Die Taktfrequenz darf hierzu nicht zu hoch sein, da sie sonst sich aufgrund der mechanischen Dämpfung des Stellglieds nicht mehr genügend anregend.auswirken kann.

[0005] Andererseits ist die elektrische Verlustleistung in einem Stellantrieb, desen Ersatzschaltbild als aus einer Induktivität und einem Widerstand bestehend aufgefaßt werden kann, um so größer,je niedriger die Taktfrequenz der,getakteten Stellspannung ist. Dies beruht darauf, daß die Verlustleistung mit dem Quadrat des Stellstroms ansteigt und daß die Schwankungen bzw. die Welligkeit des Stellstroms, der durch die Induktivität des Stellantriebs geglättet wird, um so größer ist,je niedriger die Taktfrequenz der Stellspannung ist. Mit anderen Worten, wenn mit einem Stellantrieb einer gegebenen Bauart und Baugröße eine möglichst große Nutzleistung erzielt werden soll, empfiehlt sich eine hohe Taktfrequenz, um den Grenzwert der Verlustleistung nicht zu überschreiten.

[0006] Aus den voranstehend geschilderten Gründen beruht also die Taktfrequenz, mit der eine getaktete Stellspannung erzeugt wird, auf einem Kompromiß zwischen widersprüchlichen Forderungen.

[0007] Damit der Stellantrieb in der geregelten bzw. gesteuerten Anlage seine Funktion erfüllen kann, einer Steuergröße oder einer Regelgröße zu folgen, wird die Stellspannung mit der elektrischen Steuergröße pulsdauermoduliert.

[0008] Durch die Pulsdauermodulation der Stellspannung wird das Tastverhältnis beeinflußt, so daß sich ein mehr oder weniger großer arithmetischer Mittelwert der Stellspannung ergibt, der für das von dem Stellantrieb erzeugte Moment maßgeblich ist.

[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Erzeugung einer getakteten Stellspannung der eingangs genannten Gattung so weiterzuentwickeln, daß beim Betrieb des Stellantriebs mit dieser Stellspannung die Positioniergenauigkeit verbessert und die Verlustleistung herabgesetzt wird. Somit soll bei gegebenen Daten des Stellantriebs eine höhere Stelleistung ermöglicht werden.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

[0011] Die Lösung beruht auf dem Prinzip, daß die Stellspannung nicht mehr mit einer einzigen Frequenz moduliert ist (wenn die Taktung der Stellspannung als Modulation betrachtet wird), sondern mit zwei verschiedenen, weit auseinander liegenden Frequenzen: Es wird eine relativ hohe Taktfrequenz gewählt, mit der die Stellspannung getaktet wird, die jedoch mit einer niedrigen Grundmodulationsfrequenz überlagert ist. Die daraus resultierende Pulsdauermodulation kann daher als Schwebung oder Überlagerung einer relativ hohen Taktfrequenz mit einer niedrigen Grundmodulationsfrequenz angesehen werden. Der Ausdruck "Grundmodulationsfrequenz" wurde gewählt, da diese Frequenz die Pulsdauermodulation bzw. das Tastverhältnis der pulsdauermodulierten Stellspannung beeinflußt, zusätzlich zu der normalen Pulsdauermodulation der Stellspannung durch die elektrische Steuergröße.

[0012] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Stellspannung hat die wesentlichen Vorteile, daß sie aufgrund der hohen Taktfrequenz nur eine verhältnismäßig geringe Verlustleistung in dem Stellantrieb hervorruft, denn der Stellstrom wird infolge der hohen Frequenz durch die Induktivität des Stellantriebs gut geglättet. Die Maximalwerte des momentanten Stellstroms sind also nicht wesentlich größer als der Mittelwert des Stellstroms, woraus sich die geringe Verlustleistung herleitet. , Andererseits wird durch die niederfrequente Grundmodulations frequenz, mit der die Stellspannung pulsdauermoduliert wird, eine besonders gute mechanische Anregung des Stellantriebs erzielt, da die Frequenz dieser Grundmodulation niedriger gelegt werden kann als die sonst hierzu vorgesehene Taktfrequenz. Die Grundmodulationsfrequenz befindet sich also näher an der sogenannten Eckfrequenz des mechanischen Systems des Stellglieds, über der eine Dämpfung des mechanischen Übertragungsverhaltens eintritt. Da die periodische Anregung des mechanischen Systems durch die niederfrequente Grundmodulationsfrequenz besonders wirksam ist, kann der Modulationsgrad niedrig gehalten werden. Dies bedeutet, daß der niederfrequente Anteil der Stellspannung und damit des Stellstroms für eine gewünschte mechanische Anregung verhältnismäßig klein eingestellt werden kann, so daß demgemäß auch die Verlustleistung, die auf diesen Frequenzanteil zurückzuführen ist, gering bleibt.

[0013] In der erfindungsgemäß erzeugten Stellspannung sind also zwei Frequenzen - abgesehen von der elektrischen Steuergröße - so miteinander kombiniert, daß die gegenläufigen Forderungen einer guten mechanischen Anregung und einer niedrigen elektrischen Verlustleistung in dem Stellantrieb erfüllt werden.

[0014] Bevorzugt ist die hohe Taktfrequenz auf 10 - 20 kHz eingestellt, während die niedrige Grundmodulationsfrequenz 10 - 100 Hz beträgt. Dieser Frequenzbereich hat sich insbesondere für typische Stellantriebe zur Verstellung von Drosselklappen von Verbrennungsmotoren als vorteilhaft herausgestellt. Dabei wird davon ausgegangen, daß die mechanische Eckfrequenz des Stellantriebs, über der eine Dämpfung des Übertragungsverhaltens eintritt, bei etwa 1 - 10 Hz liegt.

[0015] Besonders günstig ist eine Dimensionierung der Taktfrequenz und der Grundmodulationsfrequenz nach Anspruch 3. - Mit der hohen Taktfrequenz wird vermieden, daß diese im menschlichen Höhrbereich belästigend wirkt. Andererseits ist die Grundmodulationsfrequenz so tief, daß sie dicht bei der Eckfrequenz liegt und nur schwach gedämpft wird und außerdem mit geringem Aufwand erzeugt werden kann.

[0016] Entsprechende Einrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Ansprüchen 5 - 6 angegeben. Diese Einrichtungen dienen zur Erzeugung der Stellspannung nach den voranstehend beschriebenen Verfahren und ermöglichen die oben aufgeführten vorteilhaften Wirkungen des Stellstroms, der in den Stellantrieb mit einer Induktivität eingespeist wird.

[0017] Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Erzeugung der Stellspannung in Verbindung mit einem Regler zur Verstellung einer Drosselklappe eines Verbrennungsmotors;

Fig. 2 typische Zeitverläufe der Stellspannung sowie des Stellstroms und

Fig. 3 die zur Bildung der Stellspannung vorgesehenen Frequenzen bezogen auf eine Eckfrequenz des Stellglieds als Bode-Diagramm.

[0018] In Figur 1 ist mit 1 ein Pulsdauermodulator bezeichnet, der durch einen Taktgeber 2 mit einer verhältnismäßig niederfrequenten Taktfrequenz f_O gespeist wird. Der Pulsdauermodulator erzeugt eine mit der Taktfrequenz f_O getaktete Spannung u, siehe Figur 2, in der die entsprechende Periode mit T₀ bezeichnet ist.

[0019] Der Pulsdauermodulator 1 steht an seinem Modulationseingang 3 mit einem Grundmodulationsfrequenzgeber 4 in Verbindung, der eine Grundmodulationsfrequenz f_m entsprechend der Periode T_m in den Pulsmodulator einspeist. Die Stellspannung u wird also mit der Frequenz f_m pulsdauermoduliert. Dies ist ebenfalls in dem Kurvenzug u in Figur 2 dargestellt, in der die pulsdauermodulierte Hinterflanke der getakteten Stellspannung mit einer durchgezogenen Linie gezeichnet ist. Mit der unterbrochen gezeichneten Hinterflanke ist deren Verlauf angedeutet, wenn die Grundmodulationsfrequenz nicht vorhanden wäre.

[0020] Außerdem wird der Pulsdauermodulator in üblicher Weise an dem Modulationseingang 3amit einer elektrischen Steuergröße moduliert, die insbesondere eine Steuerspannung sein kann. Die Steuerspannung wird in dem vorliegenden Anwendungsfall mit einem Regler 5 erzeugt, in dessen Eingang 6 eine Regelabweichung x und eine Rückführgröße x eines Stellpotentiometers 7 eingespeist werden.

[0021] Die von dem Pulsmodulator 1 in der angegebenen Weise erzeugte Stellspannung wird über eine Leitung 8 in den elektromotorischen Stellantrieb 9 eingespeist.

[0022] Der elektromotorische Stellantrieb betätigt in dem vorliegenden Anwendungsfall über ein Getriebe 10 eine Drosselklappe 11, wobei die Stellung des Getriebes durch das Stellpotentiometer 7 rückgemeldet wird.

[0023] Der Verlauf des Stellstroms ergibt sich aus dem Kurvenzug i in Figur 2: Es ist ersichtlich, daß der Stellstrom nur eine geringe Weilligkeit infolge der Glättung durch die Induktivität des elektromotorischen Stellantriebs aufweist. Dies bedeutet eine geringe thermische Verlustleistung in dem elektromotorischen Stellantrieb 9, der somit bei gegebener Bauart mit einer relativ hohen Spannung u gespeist werden kann und ein entsprechend großes Moment abgibt.

[0024] Mit der unterbrochen gezeichneten Stromkurve ist der 'verhältnismäßig niederfrequente Stromanteil dargestellt, der auf die Grundmodulationsfrequenz zurückgeht und die Spitzenwerte in der angedeuteten Weise verschiebt. Durch den niederfrequenten Anteil des Stroms wird eine mechanische Anregung über das Masse/Federsystem mit dem Getriebe 10 und einer Feder 12 auf die Übertragungsorgane zu der Drosselklappe 11 übertragen, die somit genau positioniert werden kann.

[0025] In Figur 3 ist die sogenannte Eckfrequenz ω_E des Masse/ Federsystems in einem Bode-Diagramm dargestellt. Das Masse/Federsystem stellt eine Verzögerung erster Ordnung dar, was bedeutet, daß oberhalb der Eckfrequenz der Übertragungsfaktor A mit steigender Anregungsfrequenz abfällt. Es ist aus dem Bodediagramm ersichtlich, daß bei der gewählten Modulationsgrundfrequenz f_m der Übertragungsfaktor erst wenig abfällt, so daß eine verhältnismäßig geringe mechanische Anregung genügt, welche auf die Drosselklappe übertragen wird. Deswegen ist der niederfrequente Anteil der Stellspannung u und damit des Stellstroms i relativ gering. Die Taktfrequenz f₀, die mit 20 kHz hoch gewählt ist, wird hingegen stark gedämpft, wird aber auch zur mechanischen Anregung des Stellglieds erfindungsgemäß nicht benötigt. Dies gestattet die Wahl einer hohen Taktfrequenz mit der geschilderten vorteilhaften Wirkung.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer getakteten Stellspannung, die mit einer elektrischen Steuergröße pulsdauermoduliert wird, zur Beaufschlagung eines eine Induktivität aufweisenden Stellantriebs, insbesondere eines elektromotorischen Stellantriebs einer Drosselklappe eines Verbrennungsmotors,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit einer hohen Taktfrequenz (f0) getaktete Stellspannung mit einer niedrigen Grundmodualtionsfrequenz (f_m) zusätzlich zu der Steuergröße pulsdauermoduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die hohe Taktfrequenz 10 - 20 kHz ist und daß die niedrige Grundmodulationsfrequenz 10 - 100 Hz beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die hohe Taktfrequenz auf einen Wert größer 16 kHz eingestellt ist und daß die niedrige Grundmodulationsfrequenz 40 - 50.Hz beträgt.

4. Einrichtung zur Erzeugung einer getakteten pulsdauermodulierten Stellspannung zur Beaufschlagung eines Stellantriebs, welches eine Induktivität aufweist, insbesondere eines elektromotorischen Stellantriebs einer Drosselklappe eines Verbrennungsmotors,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pulsdauermodulator (1) vorgesehen ist, der zur Erzeugung der getakteten Stellspannung (u) von einem Taktgeber (2) einer hohen Taktfrequenz (f₀) gespeist ist, der mindestens einen Modulationseingang (3) aufweist, der mit einer niedrigen, die Pulsdauermodulations überlagernden Grundmodulationsfrequenz (f ) gespeist ist und der mit der elektrischen Steuergröße (Eingang3a) beaufschlagt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch
eine Dimensionierung der hohen Taktfrequenz (f₀) und der niedrigen Grundmodulationsfrequenz (f_m) gemäß den Ansprüchen 3 oder 4.

Zeichnung