-
Die Erfindung betrifft ganz allgemein den Betrieb von Elektromotoren, insbesondere in automobilen Anwendungen zur elektromotorischen Verstellung von Komponenten eines Kraftfahrzeuges, wie z. B. zur Verstellung von Sitzen, Fenstern, Spiegeln oder dergleichen. Die Erfindung betrifft im Besonderen eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu Ermittlung der aktuellen Position, insbesondere Drehwinkelposition, eines Rotors eines Elektromotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (Schaltungsanordnung) bzw. des Anspruchs 7 (Verfahren).
-
Eine derartige Ermittlung der Rotorposition eines Elektromotors ist beispielsweise aus den Patentschriften
DE 10 2005 018 526 B4 und
EP 0 890 841 B1 bekannt. Bei den bekannten Verfahren wird eine Welligkeit (englisch: ”ripple”) eines gemessenen Motorstromes bzw. eines auf Basis einer Messung des Motorstromes und der Motorspannung ermittelten Ankerwiderstandes ausgewertet, um die aktuelle Rotorposition des Elektromotors zu bestimmen.
-
Die Druckschrift
DE 35 27 906 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Positionierung eines mittels einer Verstellvorrichtung, die einen Gleichstrommotor aufweist, verstellbaren Gegenstandes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes oder eines Teiles eines Fahrzeugsitzes. Sie hat einen Impulsgeber, der eine der Anzahl von Umdrehungen des Gleichstrommotors entsprechende Anzahl von Impulsen für eine inkrementale Positionsbestimmung erzeugt. Dieser Impulsgeber weist einen auf die des Laufs des Gleichstrommotors auch bei konstanter Last vorhandenen periodischen Schwankungen des Stromes oder eine sich entsprechend diesen Stromschwankungen periodisch ändernden Größe ansprechenden Sensor auf.
-
Die Druckschrift
DE 10 2008 019 821 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position eines Rotors, insbesondere des Drehwinkels des Rotors, eines Elektromotors, wobei diese Vorrichtung die aktuelle Position des Rotors anhand der Schwankungen des Ankerstroms bzw. der Ankerspannung des Elektromotors ermittelt, wobei diese Vorrichtung die Schwankungen des Ankerstroms bzw. der Ankerspannung von den Schwankungen des Motorstroms bzw. der Motorspannung mithilfe einer Verstärkereinheit in Abhängigkeit eines steuerbaren Verschiebewertes trennt, wobei diese Verstärkereinheit diesen Verschiebewert entsprechend dem Motorstrom oder der Motorspannung bzw. den Schwankungen des Motorstroms oder der Motorspannung ändert.
-
Die Druckschrift
DE 10 2005 018 526 B4 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Position eines Rotors, insbesondere des Drehwinkels des Rotors, eines Elektromotors wobei der aktuelle Wert des Ankerwiderstandes des Elektromotors zeitlich kontinuierlich ermittelt und die aktuelle Position des Rotors des Elektromotors anhand des aktuellen Wertes des Ankerwiderstandes des Elektromotors ermittelt wird.
-
Die Druckschrift
EP 0 890 841 B1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl und/oder des Drehwinkels bei mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren aus dem zeitverlauf der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit des Motorstroms.
-
Problematisch ist hierbei, dass die Amplitude der Welligkeit des auszuwertenden Signals (also z. B. eines für den Motorstrom repräsentativen Signals) im Vergleich zum Gleichanteil bzw. zeitlichen Mittelwert des Signals relativ klein ist. Typischerweise liegt die Amplitude der Welligkeit im Promille- bis Prozentbereich.
-
Durch eine Verstärkung des Signals mit einem entsprechend großen Verstärkungsfaktor (Kleinsignalverstärkung) vor der Auswertung kann zwar die Amplitude der Welligkeit für eine zuverlässigere Auswertung entsprechend erhöht werden. Dies vergrößert jedoch nachteiligerweise ebenso den Gesamtwert bzw. Gleichanteil des Signals.
-
In der Praxis kommt oftmals erschwerend hinzu, dass der Mittelwert des Motorstromes und/oder der Motorspannung über einen größeren Bereich variieren kann (abhängig von der konkreten Betriebssituation). Falls sich beispielsweise bei einem mit einer konstanten Spannung betriebenen Gleichstrommotor plötzlich die Motorlast erhöht, so führt dies je nach Konstruktion des Motors zu einem mehr oder weniger beträchtlichen Anstieg des Motorstromes. Wenn hierbei ein für den Motorstrom repräsentatives Signal z. B. mit einem Analog/Digital-Wandler erfasst wird, um nachfolgend (auf digitaler Ebene) eine Auswertung der Signalwelligkeit vorzunehmen, so besteht die Gefahr einer eingangsseitigen Übersteuerung des Analog/Digital-Wandlers. Zur Vermeidung einer solchen Übersteuerung (in Phasen eines großen Signalmittelwertes) darf der Signalverstärkungsfaktor also nicht zu groß bemessen sein. Dies wiederum besitzt den Nachteil, dass in Phasen eines kleineren Signalmittelwertes der zulässige Eingangssignalbereich bzw. die Auflösung (Genauigkeit) des Analog/Digital-Wandlers nicht optimal genutzt wird.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Probleme zu beseitigen und eine zuverlässige Ermittlung der aktuellen Rotorposition eines Elektromotors insbesondere auch in Anwendungen zu ermöglichen, bei denen die Welligkeit des auszuwertenden Signals eine vergleichsweise kleine Amplitude besitzt und/oder der Gleichanteil des Signals vergleichsweise stark variiert.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Bei der Erfindung wird zur Verstärkung des Signals ein Verstärker mit einem einstellbaren Signaloffset (Eingangssignaloffset und/oder Ausgangssignaloffset) verwendet und dieser Signaloffset in Abhängigkeit von dem verstärkten Signal eingestellt.
-
Vorteilhaft kann damit eine Verstärkung mit einem z. B. gleichbleibend hohen Verstärkungsfaktor (für eine vorteilhafte Erhöhung der Amplitude der Welligkeit), jedoch variierendem Signaloffset (zur wenigstens teilweisen Unterdrückung bzw. Entfernung des Gleichanteils) vorgesehen werden.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zur Auswertung der Signalwelligkeit auch eine Auswertung des Signalgleichanteils anhand des verstärkten Signals erfolgt. Als ”Gleichanteil” kann z. B. ein gleitender Mittelwert des verstärkten Signals mit einer Mittelung über mehrere Welligkeitsperioden angesehen werden. In der Praxis kann daher z. B. zur Auswertung bzw. Ermittlung des Gleichanteils eine solche Mittelung über mehrere Welligkeitsperioden vorgenommen werden. Bevorzugt kann die Ermittlung durch die bereits für die Welligkeitsauswertung ohnehin vorgesehene Einrichtung durchgeführt werden. Die Auswertung des Gleichanteils ist insbesondere für Verwendungen der Schaltungsanordnung bzw. des Auswerteverfahrens interessant, bei welchen der Elektromotor zur elektromotorischen Verstellung von Komponenten eines Fahrzeuges mit so genanntem ”Einklemmschutz” vorgesehen ist. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein elektromotorisch verstelltes Fenster oder Schiebedach bei einem Kraftfahrzeug. Es ist hinlänglich bekannt, als Kriterium zur Feststellung eines ”Einklemmfalles” einen mehr oder weniger abrupten Anstieg des Motorstromes heranzuziehen (Diesbezüglich ist anzumerken, dass ein solcher abrupter Anstieg sich auch in anderweitig definierten ”Motorbetriebsparametern” äußert, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als das ”Signal” verwendet werden können). Ein derart realisierter Einklemmschutz kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert sein, indem der Gleichanteil des verstärkten Signals ermittelt, bzw. dahingehend ausgewertet wird, ob dieser ein vorgegebenes Kriterium zur Feststellung eines ”Einklemmfalles” erfüllt.
-
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind geeignete Mittel zur Einstellung des Signaloffsets (Eingangssignaloffset und/oder Ausgangssignaloffset) vorzusehen, die beispielsweise eine Komponente bzw. ein Funktionalität der ohnehin zur Auswertung der Signalwelligkeit vorgesehenen Auswerteeinrichtung darstellen können.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die verwendete Auswerteeinrichtung auch Mittel zur Ermittlung eines Gleichanteils des verstärkten Signals, um damit einen Einklemmschutz für eine von dem Elektromotor verstellte Komponente zu realisieren.
-
Bei der Erfindung wird die ”aktuelle Position des Rotors” ermittelt. Auf Basis dieser Ermittlung kann beispielsweise eine ”sensorlose Positionierung” einer mittels des Elektromotors verstellten Komponente erfolgen. Der Begriff ”Position des Rotors” soll darüber hinaus jedoch auch den Fall umfassen, dass damit ausschließlich eine Drehfrequenz bzw. Drehzahl des Elektromotors ermittelt wird. Dies ist z. B. beim elektrischen Antrieb von Pumpen, Kompressoren oder dergleichen zweckmäßig (als ein Maß für die aktuelle Pump- bzw. Kompressionsleistung). In diesen Fällen ist die genaue Drehwinkelposition des Rotors zumeist keine interessante Information.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung eine programmgesteuerte Rechnereinrichtung, durch welche wenigstens ein Teil der Auswerteeinrichtung implementiert ist. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform besitzt die programmgesteuerte Rechnereinrichtung einen Ausgang zur Ausgabe eines pulsweitenmodulierten (PWM) Signals, welches als ein Einstellsignal zur erfindungsgemäß vorgenommenen Einstellung des Signaloffsets am Verstärker verwendet wird.
-
In einer schaltungstechnisch besonders einfachen und daher bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärker als ein Operationsverstärker mit externer Beschaltung zur Definition der Verstärkercharakteristik ausgebildet.
-
Beispielsweise kann der Verstärker gemäß einer ”klassischen Operationsverstärkerschaltung” wie dem ”nicht-invertierenden Verstärker” oder dem ”invertierenden Verstärker” konzipiert sein, also mit einem Widerstandsnetzwerk zur Definition der Verstärkercharakteristik, wobei gemäß der Erfindung durch eine geeignete Modifikation eine Einstellbarkeit des Eingangssignaloffsets und/oder des Ausgangssignaloffsets realisiert wird.
-
Die gemäß der Erfindung vorgesehene Einstellung des Signaloffsets in Abhängigkeit von dem verstärkten Signal kann in vielfältiger Weise implementiert sein.
-
In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Einstellung des Signaloffsets eine mit der externen Beschaltung des Operationsverstärkers gekoppelte Einstellsignalquelle. Das von dieser Quelle gelieferte Signal definiert dann den Wert des am Verstärker einzustellenden Signaloffsets.
-
Hierbei kann es sich z. B. um eine Spannungsquelle handeln, deren Spannung über einen Widerstand an einem Schaltungsknoten der externen Operationsverstärker-Beschaltung eingekoppelt wird. Alternativ könnte als Einstellsignal auch ein Strom vorgesehen sein, welcher in die externe Beschaltung des Operationsverstärkers in geeigneter Weise eingekoppelt wird, um den Signaloffset einzustellen.
-
Gängige Konzepte zur Realisierung einer Operationsverstärkerschaltung mit einem durch die externe Beschaltung definierten Verstärkungsfaktor sehen vor, dass das zu verstärkende Signal an einem Eingang des Operationsverstärkers angelegt wird und durch eine Rückkopplung des Ausgangssignals auf wenigstens einen Eingang eine Regelschleife (Rückkopplung) realisiert wird, durch welche eine Differenz der Signalwerte an den Eingängen auf etwa Null geregelt wird. Insbesondere bei einem solchen Schaltungskonzept lässt sich die erforderliche Einstellbarkeit des Signaloffsets beispielsweise dadurch bewerkstelligen, dass durch ein Einstellsignal der Signalwert an einem der Eingänge des Operationsverstärkers verschoben wird. Hierzu kann z. B. vorgesehen sein, dass die Einstellspannung einer Einstellspannungsquelle über einen Widerstand an einem Schaltungsknoten eingekoppelt wird, welcher mit einem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.
-
In einer Ausführungsvariante ist beispielsweise vorgesehen, dass der Signaloffset kontinuierlich derart eingestellt wird, dass ein Mittelwert (Gleichanteil) des verstärkten Signals stets in einem mittleren Bereich des schaltungstechnisch vorgegebenen Ausgangssignalbereiches des Verstärkers bleibt. Eine solche kontinuierliche Einstellung bzw. Nachführung des Signaloffsets kann z. B. durch eine entsprechende Regelung vorgesehen sein, bei welcher kontinuierlich der Gleichanteil bzw. ein gleitender Mittelwert des verstärkten Signals mit einem z. B. festen Sollwert verglichen wird, und entsprechend dem Vergleichsergebnis bedarfsweise eine Veränderung des Signaloffsets vorgenommen wird, um den Mittelwert des verstärkten Signals in Richtung des Sollwertes zu verschieben.
-
In einer anderen Ausführungsvariante erfolgt die Einstellung des Signaloffsets nicht kontinuierlich sondern in Stufen. Bei einer solchen stufenweisen Einstellung kann z. B. vorgesehen sein, dass
- – im Fall, in welchem das verstärkte Signal eine im oberen Bereich des schaltungstechnisch vorgegebenen Ausgangssignalbereiches liegende obere Schwelle überschreitet, der Signaloffset um einen vorgegebenen Betrag verändert wird, um den Betrag des verstärkten Signals zu verringern, und
- – im Fall, in welchem das verstärkte Signal eine im unteren Bereich des schaltungstechnisch vorgegebenen Ausgangssignalbereiches liegende untere Schwelle unterschreitet, der Signaloffset um einen vorgegebenen Betrag verändert wird, um den Betrag des verstärkten Signals zu vergrößern.
-
Der bei einer Veränderung des Signaloffsets vorgegebene Betrag kann z. B. so gewählt sein, dass bei Überschreitung der oberen Schwelle eine Absenkung des verstärkten Signals auf einen Wert etwa bei (knapp überhalb) der unteren Schwelle erfolgt, und umgekehrt, d. h. dass bei Unterschreitung der unteren Schwelle eine Anhebung des verstärkten Signals auf einen Wert etwa bei (knapp unterhalb) der oberen Schwelle erfolgt. Bei diesen sprunghaften Veränderungen des Signaloffsets kann vorgesehen sein, dass ein (linearer) Verstärkungsfaktor der Verstärkung nicht verändert wird.
-
Durch beide vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass das verstärkte Signal nicht aus dem schaltungstechnisch vorgegebenen Ausgangssignalbereich des Verstärkers (und aus einem Eingangssignalbereich eines ggf. vorgesehenen, dem Verstärker nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlers) ”herausläuft”. Beide vorstehend beschriebene Ausführungsvarianten (kontinuierliche Offseteinstellung und stufenweise Offseteinstellung) können selbstverständlich auch bei Verstärkern vorgesehen sein, die nicht als extern beschalteter Operationsverstärker ausgebildet sind. Der Begriff ”Verstärker” ist im Sinne der Erfindung sehr breit zu verstehen. Wesentlich ist dessen Fähigkeit zur Verstärkung des eingegebenen Signals, wobei zusätzlich die Möglichkeit der Offseteinstellung zu dem beschriebenen Zweck gegeben ist.
-
Der Verstärkungsfaktor (Kleinsignalverstärkung) der Verstärkung bzw. des verwendeten Verstärkers beträgt bevorzugt wenigstens 101, insbesondere wenigstens 102. Ein derart großer Verstärkungsfaktor (z. B. fest vorgegeben, oder anhand des Ergebnisses der Auswertung laufend angepasst) vereinfacht eine zuverlässige Auswertung der Welligkeit des Ausgangssignals.
-
Eine bevorzugte Verwendung der Schaltungsanordnung bzw. des Verfahrens ergibt sich für den Betrieb einer elektromotorisch verstellbaren Komponente in einem Fahrzeug, wie z. B. einem elektromotorisch verstellbaren Sitz, Fenster, Spiegel etc. eines Kraftfahrzeuges. Mit der Erfindung können derartige Fahrzeugkomponenten ”sensorlos positioniert” werden. Bei vielen derartigen Fahrzeugkomponenten ist auch ein ”Einklemmschutz” sinnvoll, wie oben bereits erläutert. Bei anderen Fahrzeugkomponenten, wie z. B. Pumpen, Kompressoren etc. ist dies nicht der Fall.
-
Die Auswertung der Welligkeit des verstärkten Signals kann in programmgesteuerter Weise vorgesehen sein. Bei den erwähnten automobilen Anwendungen kann die Auswerteeinrichtung Z. B. durch eine programmgesteuerte Rechnereinrichtung gebildet sein bzw. eine solche Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) umfassen. Derartige Einrichtungen (”Steuergeräte”) sind insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Betrieb von elektromotorisch verstellbaren Komponenten oftmals ohnehin vorhanden, so dass die vorhandene Hardware zur Realisierung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft genutzt werden kann.
-
Das für die erfindungsgemäße Ermittlung der aktuellen Rotorposition herangezogene und hierfür zu verstärkende Signal kann z. B. repräsentativ für einen gemessenen Motorstrom sein. Die Messschaltung kann in diesem Fall z. B. einen vom Motorstrom durchflossenen Strommesswiderstand umfassen. Das Signal ist dann die am Strommesswiderstand abfallende Spannung. Alternativ kann als Signal z. B. eine gemessene Motorspannung herangezogen werden. Schließlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Signale verwendet werden, die auf Basis einer Messung eines Motorstromes und/oder einer Motorspannung des Elektromotors gewonnen werden. Ein Beispiel hierfür ist ein elektrischer Widerstand des Elektromotors (z. B. Ankerwiderstand), definiert als Quotient von Motorspannung und Motorstrom.
-
Bei dem Elektromotor handelt es sich bevorzugt um einen Gleichstrommotor, insbesondere einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese spezielle Art von Elektromotor eingeschränkt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung der aktuellen Rotorposition eines Elektromotors,
-
2 ein Schaltbild einiger Komponenten der Schaltungsanordnung von 1 gemäß einer konkreten Realisierungsvariante, und
-
3 schematische Auftragungen eines Motorstromes (Im), eines PWM-Tastverhältnisses (pwm) und einer verstärkten Signalspannung (Us) gegen die Zeit (t).
-
1 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung 10 zur Ermittlung der aktuellen Position (z. B. Drehwinkelposition) eines Rotors eines Elektromotors M, bei dem es sich beispielsweise um einen mechanisch kommutierten Gleichstrommotor handelt.
-
Der Elektromotor M wird mit einer Motorspannung Um und einem Motorstrom Im betrieben.
-
Eine Messschaltung 12 dient dazu, den Motorstrom Im und/oder die Motorspannung Um zu messen und auf Basis dieser Messung(en) ein elektrisches ”Motorbetriebssignal” Uim bereitzustellen, nachfolgend auch kurz als ”Signal” bezeichnet.
-
Im Folgenden sei (für die beschriebenen Ausführungsbeispiele) angenommen, dass es sich bei dem Signal Uim um ein Spannungssignal handelt, dessen Momentanwert proportional zum Momentanwert des Motorstromes Im ist (In diesem Fall ist die Messung der Motorspannung Um entbehrlich).
-
Das Signal Uim wird einem Verstärker 14 zur Verstärkung des Signals Uim eingegeben, so dass am Ausgang des Verstärkers 14 ein ”verstärktes Signal” Us bereitgestellt wird.
-
Der Verstärker 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein linearer Verstärker mit einem einstellbaren Signaloffset. Das Ausgangssignal des Verstärkers 14, also das verstärkte Signal Us besitzt den Wert Us(t) = a·Uim(t) + b.
-
Hierbei bezeichnet t die Zeit. Die Verstärkungscharakteristik ist gekennzeichnet durch die Verstärkungsparameter ”a” und ”b”, wobei ”a” die Kleinsignalverstärkung darstellt, hier auch als ”Verstärkungsfaktor” bezeichnet, und ”b” den Signaloffset (hier: Ausgangssignaloffset) bezeichnet. Es versteht sich, dass eine derartige Verstärkungscharakteristik in schaltungstechnischer Hinsicht in vielfältiger Weise realisiert werden kann. Weiter unten wird z. B. eine Realisierung mittels eines Operationsverstärkers detaillierter beschrieben. Es können jedoch auch andere Verstärkerkonzepte eingesetzt werden. Zur Erzielung eines höheren Verstärkungsfaktors einer Spannungs- oder Stromverstärkung können auch andere aktive elektronische Bauelemente (Transistoren etc.) vorgesehen sein. Die Schaffung einer Verstärkungscharakteristik der vorstehend beschriebenen Art mit einem linearen Verstärkungsfaktor (a) und einem additiven Offset (b) kann hierbei auch durch zwei Verstärkerschaltungsteile realisiert werden, welche einerseits die lineare Verstärkung und andererseits die Bereitstellung eines Offsetsignals bewerkstelligen und durch eine geeignete Überlagerungseinrichtung (Addierer, Subtrahierer etc.) miteinander gekoppelt sind, um ein der oben angegebenen Verstärkungscharakteristik genügendes resultierendes Ausgangssignal bereitzustellen.
-
Der Verstärkungsfaktor ”a” ist beispielsweise fest vorgegeben und liegt bevorzugt in einer Größenordnung von mindestens 101, weiter bevorzugt mindestens 102.
-
Der Signaloffset ”b” wird durch ein Einstellsignal Upwm eingestellt, welches von einer Auswerteeinrichtung 16 erzeugt und an einem Steuereingang des Verstärkers 14 eingegeben wird.
-
Die Auswerteeinrichtung
16 dient in erster Linie zur Auswertung einer Welligkeit des verstärkten Signals Us, um anhand dieser Auswertung die aktuelle Position des Rotors des Elektromotors M zu bestimmen. Die konkrete Art und Weise dieser Auswertung spielt für die vorliegende Erfindung eine untergeordnete Rolle. Geeignete Auswertungsmethoden sind z. B. in den eingangs bereits erwähnten Veröffentlichungen
DE 10 2005 018 526 B4 und
EP 0 890 841 B1 beschrieben (z. B. ”Nulldurchgangsverfahren”). Auf Basis der Auswertung der aktuellen Rotorposition kann z. B. eine ”sensorlose Positionierung” von elektromotorisch verstellbaren Komponenten und/oder eine Drehzahlermittlung und/oder (ggf.) ein Einklemmschutz für die betreffende Komponente bewerkstelligt werden.
-
Die Auswerteeinrichtung 16 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Einrichtungsteil 16-1, welchem das Signal Us zugeführt wird und welcher die eigentliche Auswertung der Welligkeit vornimmt und das Auswertungsergebnis einem zweiten Einrichtungsteil 16-2 kommuniziert, welcher daraus ein das Auswertungsergebnis beinhaltendes digitales Signal S erzeugt und ausgibt.
-
Ferner enthält die Auswerteeinrichtung 16 einen dritten Einrichtungsteil 16-3, welcher zur Einstellung des Ausgangssignaloffsets ”b” in Abhängigkeit von dem verstärkten Signal Us dient. Der Einrichtungsteil 16-3 bildet hierfür einen gleitenden Mittelwert des verstärkten Signals Us, vergleicht diesen Mittelwert mit einem vorgegebenen Sollwert, und gibt das einer Abweichung zwischen Mittelwert und Sollwert entsprechende Einstellsignal Upwm an den Verstärker 14 aus.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird damit eine Regelung des zeitlichen Mittelwerts bzw. des Gleichanteils des verstärkten Signals Us dergestalt realisiert, dass dieser Mittelwert stets in der Nähe des Sollwerts bleibt. Der Sollwert liegt hierbei in einem mittleren Bereich (z. B. exakt in der Mitte) des schaltungstechnisch vorgegebenen (bzw. zulässigen) Ausgangssignalbereiches des Verstärkers 14.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die mittels des Einstellsignals Upwm vorgenommene Korrektur bzw. Regelung des Gleichanteils des verstärkten Signals Us auch an den zweiten Einrichtungsteil 16-2 kommuniziert, um diese Information betreffend die momentane Einstellung des Signaloffsets ”b” und somit eine Information über den Betrag des Gleichanteils in die digitale Information (Signal S) einfließen zu lassen.
-
Der wesentliche Vorteil der Schaltungsanordnung 10 besteht darin, dass durch die Einstellbarkeit des Signaloffsets ”b” und dessen Einstellung in Abhängigkeit von dem verstärkten Signal Us erstens ein relativ großer Verstärkungsfaktor ”a” verwendet werden kann, ohne dass ein Übersteuern oder Untersteuern des Verstärkers 14 aufgrund der Welligkeit im Eingangssignal Uim zu befürchten ist, und zweitens ein solches Übersteuern oder Untersteuern auch dann nicht zu befürchten ist, wenn sich der Gleichanteil des zu verstärkenden Signals Uim im Laufe der Zeit wesentlich erhöht bzw. verringert.
-
Durch die beschriebene Anpassung des Signaloffsets ”b” an den Wert des verstärkten Signals Us lässt sich gewissermaßen der Gleichanteil des Signals Uim mehr oder weniger stark kompensieren bzw. unterdrücken. Der damit problemlos verwendbare hohe Verstärkungsfaktor ”a” verbessert die Zuverlässigkeit der Auswertung der Welligkeit im verstärkten Signal Us und verbessert somit die Zuverlässigkeit der Erfassung der Rotorposition.
-
Insbesondere in automobilen Anwendungen kann die Auswerteeinrichtung 16 wenigstens teilweise durch Funktionalitäten einer programmgesteuerten elektronischen Rechnereinrichtung (z. B. ”Mikrocontroller” in einem automobilen Steuergerät) implementiert sein.
-
Das auszuwertende verstärkte Signal Us kann einer programmgesteuerten Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) beispielsweise über einen Analog/Digital-Wandler zugeführt werden, um die in den beschriebenen Einrichtungsteilen 16-1 bis 16-3 durchgeführten Auswertungsschritte softwarebasiert zu implementieren.
-
Der für den Analog/Digital-Wandler zulässige Eingangssignalbereich kann hierbei im Wesentlichen dem schaltungstechnisch vorgegebenen Ausgangssignalbereich des Verstärkers 14 entsprechen. Wesentlich ist, dass im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 das verstärkte Signal Us sowohl innerhalb des zulässigen Ausgangssignalbereiches des Verstärkers 14 als auch im zulässigen Eingangssignalbereich des betreffenden Analog/Digital-Wandlers bleibt.
-
2 veranschaulicht eine besonders einfache Realisierung einiger mit Bezug auf die 1 bereits beschriebener Teile der Schaltungsanordnung 10, bei welcher der Verstärker 14 als ein Operationsverstärker OPAMP mit externer Beschaltung zur Definition der Verstärkercharakteristik ausgebildet ist.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Messschaltung 12 durch einen vom Motorstrom ”Im” durchflossenen Messwiderstand R1 gebildet, um das für den Motorstrom Im repräsentative (hier: proportionale) Spannungssignal Uim an einem Schaltungsknoten K1 bereitzustellen.
-
Der Schaltungsknoten K1 ist wie dargestellt über einen Widerstand R2 mit einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPAMP verbunden, welcher von Versorgungspotenzialen U1 (positives Versorgungspotenzial) und GND (negatives Versorgungspotenzial bzw. elektrische Masse) versorgt wird.
-
Am Ausgang des Operationsverstärkers OPAMP wird das verstärkte Signal Us bereitgestellt. In an sich bekannter Weise wird durch die externe Beschaltung des Operationsverstärkers OPAMP eine ”klassische nicht-invertierende Verstärkerschaltung” realisiert. Hierfür ist der Verstärkerausgang über einen Schaltungsknoten K2 und einen Widerstand R4 mit einem Schaltungsknoten K3 verbunden, der wiederum einerseits mit einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPAMP und andererseits über einen Widerstand R3 mit elektrischer Masse (negatives Versorgungspotenzial) verbunden ist.
-
Lässt man den in 2 unten noch vorhandenen Schaltungsteil zunächst außer Betracht, so liefert die beschriebene externe Beschaltung hinsichtlich der Verstärkercharakteristik in bekannter Weise den Zusammenhang Us(t) = a·Uim(t), wobei sich der Verstärkungsfaktor ”a” zu a = R3/(R3 + R4) ergibt.
-
Dies ist die Charakteristik eines linearen Verstärkers ohne Signaloffset.
-
Mit dem in 2 unten ersichtlichen Schaltungsteil wird jedoch ein durch die eingegebene Einstellspannung Upwm einstellbarer Signaloffset definiert.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einstellspannung Upwm ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Spannungssignal, welches aus periodisch erfolgenden Rechteckpulsen mit variabler Pulsweite besteht.
-
Die Einstellspannung Upwm wird durch die dargestellte Anordnung von Widerständen R6, R7 und Kondensatoren C1 und C2 (tiefpass) gefiltert und in dieser gefilterten Form an einem Schaltungsknoten K5 bereitgestellt, welcher über einen Widerstand R5 mit dem Schaltungsknoten K3 im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers OPAMP verbunden ist.
-
Die am Schaltungsknoten K5 anliegende (geglättete) Einstellspannung wird somit über den Widerstand R5 in die externe Beschaltung des Operationsverstärkers OPAMP eingekoppelt.
-
Durch Variation eines Tastverhältnisses ”pwm” des Einstellsignals Upwm lässt sich somit der Offset der Signalverstärkung variieren. Dies wird im Rahmen der Erfindung dazu genutzt, den Gleichanteil des verstärkten Signals Us in der oben bereits beschriebenen Weise zu kompensieren.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass anstatt der Verwendung eines PWM-Einstellsignals auch ein nicht-moduliertes Einstellsignal verwendet werden könnte (In diesem Fall wäre das hier durch die Komponenten R6, C1, R7, C2 realisierte Filter entbehrlich). Die Verwendung einer PWM-Spannung als Einstellsignal besitzt jedoch insbesondere im Falle der Realisierung der Erfindung in einem automobilen Steuergerät einer elektromotorisch verstellbaren Fahrzeugkomponente den Vorteil, dass derartige Steuergeräte oftmals ohnehin die Möglichkeit bieten, eine softwarebasiert erzeugte PWM-Spannung auszugeben.
-
3 veranschaulicht die Funktion der Erfindung anhand einiger beispielhafter Signalverläufe, jeweils aufgetragen gegen die Zeit t.
-
Im oberen Teil von 3 ist ein Verlauf eines Motorstromes Im gezeigt, der bis zu einem Zeitpunkt t1 konstant ist, dann bis zu einem Zeitpunkt t4 ansteigt und dann wieder konstant bleibt. Ein solcher Motorstromverlauf kann sich in der Praxis z. B. während der elektromotorischen Verstellung einer Fahrzeugkomponente ergeben, die gegen ein Hindernis läuft.
-
Der Motorstrom Im besitzt eine gewisse Welligkeit (z. B. durch Kommutierungsvorgänge bedingt), die der Einfachheit der Darstellung halber bei dem in 3 oben gezeigten Verlauf von Im nicht dargestellt ist (und welche typischerweise eine sehr kleine Amplitude im Vergleich zum dargestellten Gleichanteil des Stromes Im besitzt).
-
In 3 unten ist der entsprechende Verlauf des verstärkten Motorstrommesssignals Us dargestellt, wobei hier auch die Welligkeit mit eingezeichnet ist (nicht maßstäblich).
-
Der zum Zeitpunkt t1 beginnende Anstieg des Motorstromes Im führt zu einem entsprechenden Anstieg im Verlauf von Us. Bei Erreichen einer vorgegebenen oberen Schwelle (hier: 4,8 V) durch das verstärkte Signal Us, zu einem Zeitpunkt t2, droht das verstärkte Signal Us den zulässigen Spannungsbereich (hier: 0 V bis 5 V) zu verlassen. Um dies zu verhindern, wird bei Erreichen der oberen Schwelle das Tastverhältnis ”pwm” des Einstellsignals Upwm geeignet verändert. Dies ist im mittleren Teil von 3 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine sprungartige Veränderung des Tastverhältnisses pwm dergestalt, dass der Wert von Us sprungartig auf einen Wert von etwas mehr als einer unteren Schwelle (hier: 0,2 V) absinkt. Wenn durch den weiteren Anstieg des Motorstromes Im bedingt, zu einem Zeitpunkt t3, die verstärkte Spannung Us wieder die obere Schwelle von 4,8 V erreicht, so erfolgt eine entsprechende weitere Veränderung des Tastverhältnisses pwm.
-
Bei diesem Beispiel wird die Einstellspannung Upwm bzw. das zugrundeliegende PWM-Tastverhältnis ”pwm” also stufenweise eingestellt, und zwar bedarfsgerecht bei Erfassung der Fälle, in welchen das verstärkte Signal Us aus dem zulässigen Signalbereich herauszulaufen droht.
-
Alternativ ist auch eine kontinuierliche Einstellung des Einstellsignals Upwm bzw. Tastverhältnisses pwm möglich, etwa um den Gleichanteil des verstärkten Signals Us durch eine kontinuierliche Regelung stets in einem mittleren Bereich des zulässigen Spannungsbereiches von 0 V bis 5 V zu halten (hier: z. B. bei etwa 2,5 V).
-
Bei beiden Ausführungsvarianten, also kontinuierlicher Einstellung und stufenweiser Einstellung, ist jeweils auch vorteilhaft eine Ermittlung eines Gleichanteils des Signals Im bzw. des verstärkten Signals Us möglich (z. B. zur Verwendung bei einem ”Einklemmschutz”). Bei einer kontinuierlichen Offseteinstellung kann hierfür z. B. das zur Einstellung des betreffenden Verstärkers herangezogene Einstellsignal (oder ein damit verknüpftes Signal) herangezogen werden. Im Falle des Schaltungsbeispiels gemäß 2 könnte z. B. das am Schaltungsknoten K5 herrschende Potential als Basis zur Ermittlung des Gleichanteils herangezogen werden. Wenn nämlich der Gleichanteil des verstärkten Signals Us z. B. ansteigt, so würde ”die kontinuierliche Nachführung” mittels des Einstellsignals Upwm eine entsprechende Veränderung des Signals Upwm und somit auch des geglätteten Signals am Schaltungsknoten K5 nach sich ziehen. Alternativ könnte zur Ermittlung des Gleichanteils das Signal Upwm oder ein im Bereich der entsprechenden Auswerteeinrichtung (z. B. Mikrocontroller) vorliegendes Digitalsignal verwendet werden. Bei einer stufenweisen Offseteinstellung, wie dies z. B. in 3 veranschaulicht ist, kann der Gleichanteil im Singal Im bzw. im verstärkten Signal Us ebenfalls in einfacher Weise ermittelt werden. Diese Ermittlung kann wieder auf Basis der etwaigen Veränderungen des Einstellsignals (Upwm bzw. pwm) erfolgen, wobei jeoch zusätzlich in Phasen eines unveränderten Einstellsignals, also in 3 beispielsweise in den Phasen bis t2, zwischen t2 und t3, und nach t3 auch das verstärkte Signal Us selbst als Basis zur Ermittlung des Gleichanteils mit heranzuziehen ist. Der z. B. im Zeitraum zwischen t2 und t3 erfolgende Anstieg des Gleichanteils ist auch im verstärkten Signal Us zu erkennen. Bei der Ermittlung des Gleichanteils bilden die ”Sprünge des Einstellsignals” gewissermaßen eine Grobinformation, die durch eine Auswertung (zeitliche Mittelwertbildung) des verstärkten Signals mit einer Feininformation ergänzt wird.
-
Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Art und Weise der Ermittlung der aktuellen Rotorposition folgende Vorteile erzielt werden:
- – Der Dynamikbereich der Signalverstärkung lässt sich stark erhöhen, wobei ein Verstärkungsfaktor (a) des Verstärkers (14) z. B. ausschließlich im Hinblick auf die zu verstärkende Welligkeitsamplitude angepasst werden kann (ohne Rücksicht auf etwaige Gleichanteilvariationen).
- – Der Gleichanteil des verstärkten Signals (Us) kann trotzdem ermittelt werden (falls dies eine interessante Information darstellt). Beispielsweise kann der Gleichanteil durch die Auswerteeinrichtung auf Basis des eingestellten PWM-Tastverhältnisses (allgemein: auf Basis des Einstellsignals) ermittelt (z. B. errechnet) werden.
- – Eine zuverlässige Erfassung der Rotorposition kann mit geringem Schaltungsaufwand realisiert werden.
- – Der Gleichanteil des verstärkten Signals kann je nach Bedarf mehr oder weniger stark und z. B. softwaremäßig unterdrückt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- M
- Elektromotor
- Um
- Motorspannung
- Im
- Motorstrom
- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- Messschaltung
- Uim
- Signal
- 14
- Verstärker
- Us
- Verstärktes Signal
- Upwm
- Offset-Einstellsignal
- 16
- Auswerteeinrichtung
- S
- Auswerteergebnis
- pwm
- PWM-Tastverhältnis
- t
- Zeit
