DE19704867C1

DE19704867C1 - Antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE19704867C1
Application number: DE1997104867
Authority: DE
Inventors: Niels Berkenhoff; Norbert Bendicks; Meinolf Kathol
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2017-02-11

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten, einem Stellelement zugeordneten Antriebseinrichtung aus.

Solche Antriebseinrichtungen sind beispielsweise für die Verstellung und Positionierung von Lüftungsklappen in einem Kraftfahrzeug vorgesehen oder dienen zur Bewegung von Stellelementen in Regel- oder Steuerkreisen.

Zwecks Realisierung einer derartigen Antriebseinrichtung ist es bekannt, Schrittmotore mit Getriebe bzw. Gleichstrommotore mit angeflanschtem Potentiometer am Getriebeausgang oder Gleichstrom-Getriebemotore mit im Motor integrierten Hall-Sensoren zu verwenden.

Um eine unbeabsichtigte Verstellung des Stellelementes durch äußere Stelleinflüsse - im Falle einer Lüftungsklappe beispielsweise durch die Einwirkung des Luftstroms - zu verhindern, wird bei Stellantrieben mit einem Getriebe letzteres üblicherweise selbsthemmend ausgeführt.

Die Positionierung des Stellelementes erfolgt beim Schrittmotor durch schrittweisen Antrieb und Zählen der Ansteuerimpulse.

Bei mit einem Potentiometer versehenen Gleichstrommotoren wird die Positionierung mittels Messung der zum Verstellwinkel proportionalen Potentiometerspannung vorgenommen.

Schließlich erfolgt bei mit Hall-Sensoren versehenen, jeweils ein von einem Gleichstrommotor verstellbares Stellglied aufweisenden Antriebseinrichtungen die Positionierung bzw. die Positionserfassung durch Zählen der von einer dauermagnetischen Vorrichtung und einem zugeordneten Hallgenerator erzeugten impulsartigen Signale, wobei eine Realisierungsmöglichkeit z. B. in der DE 39 38 057 A1 für Kraftfahrzeuge offenbart ist.

Bei einer Positionserfassung durch eine Lagesensorik wird eine gesonderte elektrische Zuleitung benötigt, was z. B. im Fall einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einer daran vorgesehenen, in der Größenordnung von zehn liegenden Anzahl von Klappen-Verstelleinrichtungen einen beträchtlichen Zusatzaufwand bedeutet. Bei der Verwendung eines einfachen Gleichstrommotors wird damit der Aufwand für die Positionsrückmeldung etwa gleich groß wie für den eigentlichen Stellmotor.

Durch die DE 44 11 935 C1 ist eine entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruches ausgebildete, insbesondere für die Verstellung von Kraftfahrzeug-Lüftungsklappen vorgesehene Antriebseinrichtung bekanntgeworden, wobei mit der Verstellbewegung des Stellelementes ein mechanisches System mit längs seines Bewegungsweges variierender potentieller Energie mitbewegt wird, mit dem die Motorstrom-Kennlinie über den Stellelemente-Einstellbereich hinweg wesentlich von der vom mechanischen System auf das Stellelement ausgeübten Kraft bestimmt wird.

Bei einer derart ausgeführten Antriebseinrichtung besteht das Problem, daß durch die mechanische Belastung des Stellmotors die relevanten, in der Kraftübertragungskette der Antriebseinrichtung liegenden Übertragungsglieder mechanisch beachtlich beansprucht werden. Dadurch wird dann auch der Stellmotor elektrisch relativ hoch belastet.

Dem Gegenstand nach dem älteren deutschen Patent 196 05 452 liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß durch die eine Veränderung des der Antriebseinrichtung zugeführten elektrischen Stromes bewirkende Belastung der Antriebseinrichtung praktisch keine zusätzliche mechanische Beanspruchung auf die Übertragungsglieder ausgeübt wird, was im wesentlichen dadurch erreicht wird, daß eine mit der Verstellbewegung des der Antriebseinrichtung zugehörigen Stellelementes sich verstellende dauermagnetische Vorrichtung vorhanden ist, die über den Verstellweg hinweg mehrere Abschnitte mit alternierender Polarität aufweist und der ein magnetfeldempfindlicher Schaltbaustein zugeordnet ist, der mit jeder Polaritätsänderung der dauermagnetischen Vorrichtung seinen Schaltzustand verändert und der mit einem dem Stellmotor zugeordneten elektrischen Widerstand verbunden ist, welcher in Abhängigkeit des jeweiligen Schaltzustandes eine meßbare Veränderung des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes bewirkt.

Vorteilhaft bei einem derartigen Aufbau einer Antriebseinrichtung ist, daß dem der Antriebseinrichtung zugeführten Strom klar erkennbare Veränderungen aufmoduliert werden, die dann ohne weiteres zur Bestimmung der jeweiligen Position des Stellelementes herangezogen werden können. Besonders erfreulich ist dabei, daß der Motorstrom keine Veränderung erfährt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die meßbare Veränderung des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes alternative handelsübliche, praktisch keinem Verschleiß unterworfene Mittel anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhaft bei einem derartigen Aufbau ist, daß keine mechanisch bewegbaren Schaltteile zur Realisierung der Stromveränderungen erforderlich sind, sondern daß hierfür im wesentlichen ein sogenanntes Impulsdraht-Sensorelement herangezogen wird.

Es ist zwar durch die DE 42 11 704 A1 eine mit einer drehbaren Welle versehene physikalische Einrichtung bekanntgeworden, bei der ein solches Impulsdraht-Sensorelement vorhanden ist, dem mehrere an der Welle angeordnete magnetische Abschnitte mit alternierender Polarität zugeordnet sind.

Ein derartiger Aufbau stellt aber eine eigenständige Meßeinrichtung dar, d. h. es ist dort kein Hinweis auf eine Integration des Impulsdraht-Sensorelementes in eine Antriebseinrichtung der eingangs vorausgesetzten Art ableitbar.

Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 die wesentlichen Teile der Antriebseinrichtung in Draufsicht,

Fig. 2a ein zur Antriebseinrichtung nach Fig. 1 gehörendes Ersatzschaltbild,

Fig. 2b ein Diagramm des dem schaltungsmäßigen Aufbau der Antriebseinrichtung nach Fig. 2a zugehörigen elektrischen Stromes,

Fig. 3a das Ersatzschaltbild nach Fig. 2a in modifizierter Form mit zusätzlicher Zeitstufe, und

Fig. 3b ein Diagramm des dem schaltungsmäßigen Aufbau der Antriebseinrichtung nach Fig. 3a zugehörigen Stromes.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein die Antriebseinrichtung aufnehmendes, vorzugsweises aus Kunststoff gefertigtes Gehäuse 1 vorhanden. Dieses Gehäuse ist über Befestigungslaschen 1a, die mit zur Aufnahme von Befestigungsschrauben vorgesehenen Durchbrüchen 1a' versehen sind, insbesondere an einem Kraftfahrzeugteil gehalten und z. B. einer der Lüftungsklappen der Kraftfahrzeug-Klimaanlage zugeordnet.

Die Antriebseinrichtung besteht dabei aus einem eine relativ geringe Leistung aufweisenden Gleichstrom-Stellmotor 2, der über ein mehrere Zahnräder 3a-3c aufweisendes Zahnradgetriebe 3 mit dem nur angedeuteten Stellelement 4 von einer der der Einfachheit halber nicht dargestellten Lüftungsklappen verbunden ist. Zum Anschluß des elektrischen Stellmotors 2 an die Spannungsversorgung Ub (siehe Fig. 2a) des Kraftfahrzeugs ist an dem Gehäuse 1 ein mit zwei Steckkontaktelementen 5a, 5b versehener, als Steckverbindungsteil 5 ausgebildeter Ansatz 1b vorhanden.

Um nunmehr eine Bestimmung der Position des Stellelementes 4 bzw. eine Positionierung desselben durchzuführen, ist an einem der Zahnräder 3a-3c und zwar am Zahnrad 3a eine als Geberrad ausgeführte dauermagnetische Vorrichtung 6 gehalten und konzentrisch zur Drehachse 3a' dieses Zahnrades 3a angeordnet. Diesem mit mehreren Abschnitten 6a-6d alternierender Polarität N/S bzw. S/N versehenen Geberrad ist ein als Impulsdraht-Sensorelement ausgebildeter, in Richtung der in Verstellrichtung hintereinander liegenden Abschnitte sich erstreckender, magnetfeldempfindlicher Baustein 7 beinahe tangierend zugeordnet.

Dieser einerseits am positiven Pol (+) der Spannungsversorgung Ub liegende, ein elektrisches Ausgangssignal liefernde Baustein ist andererseits an der Basis eines ein steuerbares Halbleiter-Bauelement 9 darstellenden Leistungs-Transistors angeschlossen, dessen Emitter-Kollektor-Strecke elektrisch in Reihe zu einem Widerstand 8 liegt, so daß dieser darüber parallel zum Motorstromkreis schaltbar ist (siehe Fig. 2a). Aufgrund dessen wird bei einer Umdrehung der als Geberrad ausgebildeten dauermagnetischen Vorrichtung 6 durch die der halben Anzahl der Abschnitte 6a-6d entsprechende Anzahl von impulsartigen Ausgangs-Signalveränderungen des magnetfeldempfindlichen Bausteins 7 und der damit bewirkten kurzzeitigen Ansteuerung des Leistungs-Transistors eine deutliche, d. h. in der Größenordnung von einigen Prozent liegende und damit meßtechnisch einwandfrei erfassbare Erhöhung des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes I erzielt und zwar, indem sich zum Motorstrom I* der über den Widerstand 8 fließende Strom I** hinzuaddiert. Um das Stellelement 4 hin und her bewegen zu können, wird der Stellmotor 2 drehrichtungsumkehrbar ausgeführt und zu diesem Zweck mit unterschiedlicher Polarität betrieben.

Damit der von einem Impulsdraht-Sensorelement repräsentierte magnetfeldempfindliche Baustein 7 und der das steuerbaren Halbleiter-Bauelement 9 darstellende Leistungs-Transistor auch unter diesen Verhältnissen spannungsmäßig richtig versorgt werden, ist eine Diodenbrücke 10 zwischengeschaltet (siehe Fig. 3a), der zur Glättung noch ein Glättungskondensator nachgeschaltet ist.

In den Figuren ist eine als Geberrad ausgeführte, dauermagnetische Vorrichtung 6 mit vier auf dem Umfang des Geberrades gleichmäßig verteilt angeordneten, jeweils aus einem quer zur Verstellrichtung ausgerichteten Magnetpolpaar N/S bzw. S/N bestehenden Abschnitten 6a-6d alternierender Polarität N/S - S/N dargestellt, woraus das in Fig. 2b angegebene Stromdiagramm resultiert. Wie daraus zu erkennen ist, wird infolge des an sich bekannten Impulsdraht-Prinzips nach jeweils einer halben Umdrehung, d. h. zu den Zeitpunkten 0, T/2, T am Baustein 7 ein impulsartiges Ausgangssignal hervorgerufen, woraus sich mit Hilfe des Leistungs-Transistors die schematisch dargestellten Stromschwankungen ergeben. Natürlich kann auch die Anzahl der Abschnitte 6a-6d noch verändert und zwar insbesondere erhöht werden, so daß eine noch feinfühligere Messung bzw. Positionierung durchführbar ist.

Da die allein vom Impulsdraht-Sensorelement hervorgerufenen Stromimpulse sehr kurz sind, kann es vorkommen, daß von der Zählschaltung der nicht dargestellten Steuereinrichtung auch ein von außerhalb des dargestellten Aufbaus stammender Störimpuls gezählt wird und damit das Ergebnis verfälscht.

Um dies zu verhindern, ist gemäß Fig. 3a dem Impulsdraht-Sensorelement eine Zeitstufe 11 zugeordnet, die aus einer RC-Kombination 12 bis 14 und einem ihr zugeordneten, als Steuertransistor ausgebildeten Schaltmittel 15 besteht. Der Steuertransistor ist einerseits mit seinem Emitter am positiven Ausgang (+) und der Diodenbrücke 10 angeschlossen und andererseits auch mit seiner Basis über das Impulsdraht-Sensorelement mit dem positiven Ausgang (+) verbunden.

Der Kollektor des Steuertransistors ist über einen Lade-Widerstand 13 an die Steuerelektrode (gate) des als MOS-FET ausgebildeten, das steuerbare Halbleiter-Bauelement 9 repräsentierenden Leistungs-Transistors gelegt. Ebenso sind an die Steuerelektrode ein Kondensator 12 und ein Entlade-Widerstand 14 einerseits angeschlossen, die andererseits mit dem negativen Ausgang (-) der Diodenbrücke verbunden sind, an dem auch der Ableitungsanschluß (drain) des MOS-FET's liegt. Der Quellanschluß (source) des MOS-FET's ist dann wiederum über den Widerstand 8 am positiven Ausgang (+) angeschlossen. Mit einer solchen Zeitstufe 11 werden, wie aus Fig. 3b hervorgeht, die durch den Strom I_T verdeutlichten impulsförmigen Signale des Impulsdraht-Elementes aufgrund der Kondensatorcharakteristik (U_c) zeitlich deutlich verlängert, so daß sich im Strom I eine zeitlich deutlich verlängerte Erhöhung einstellt, wodurch eine eindeutige Unterscheidung von eventuell auftretenden Störimpulsen gewährleistet ist.

Claims

1. Antriebseinrichtung zur Positionierung eines Stellelementes mit

1. - einem elektrischen Stellmotor zum Antreiben des Stellelementes,
2. - einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Stellmotors und zur Erkennung der Stellelementposition durch Erfassung des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes sowie
3. - einer mit der Verstellbewegung des Stellelementes mitbewegten physikalischen Anordnung, durch die die Kennlinie des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes über den Stellelement-Einstellbereich wesentlich von der durch die Anordnung erzeugten physikalischen Größe beeinflußt ist, wobei
4. - eine der Anordnung zugehörige, mit der Verstellbewegung des Stellelementes sich verstellende dauermagnetische Vorrichtung vorhanden ist, die über den Verstellbereich hinweg mehrere Abschnitte mit alternierender Polarität aufweist, wobei
5. - der dauermagnetischen Vorrichtung ein ortsfest gehaltener, ein elektrisches Ausgangssignal liefernder magnetfeldempfindlicher Baustein zugeordnet ist, dessen Ausgangssignal sich durch die aus der Verstellung der dauermagnetischen Vorrichtung resultierenden Polaritätsänderungen verändert, wobei
6. - dem Stellmotor ein dem Baustein zugeordneter elektrischer Widerstand zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Änderung des Ausgangssignals eine entsprechende meßbare Veränderung des der Antriebseinrichtung zugeführten Stromes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
7. - die Abschnitte (6a-6d) der dauermagnetischen Vorrichtung (6) jeweils aus einem quer zur Verstellrichtung ausgerichteten Magnetpolpaar (N/S bzw. S/N) gebildet und in Verstellrichtung hintereinander vorhanden sind und daß
8. - der magnetfeldempfindliche Baustein (7) aus einem Impulsdraht-Sensorelement besteht.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6a-6d) in gleichem Abstand voneinander an einem das Impulsdraht-Sensorelement beinahe tangierenden Geberrad vorhanden sind, daß die Abschnitte parallel zu dessen Drehachse ausgerichtet sind und daß die Abschnitte eine der Dicke des Geberrades in etwa entsprechende Länge aufweisen.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die dauermagnetische Vorrichtung (6) bildende Geberrad mit einem Zahnrad (3a) des dem Stellmotor (2) zugehörigen Zahnrad-Getriebes (3) verbunden und konzentrisch zur Drehachse (3a') des Zahnrades ausgerichtet ist.

4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die dauermagnetische Vorrichtung (6) bildende Geberrad mit einer durch 2 teilbaren Anzahl von gleich groß ausgeführten, aus alternierend angeordneten Magnetpolpaaren (N/S bzw. S/N) gebildeten Abschnitten (6a-8d) versehen ist.

5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6a-6d) in und/oder an der umlaufenden Oberfläche des Geberrades vorhanden sind.

6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (6a-6d) als profilierte Stabmagnete ausgeführt sind.

7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabmagnete einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulsdraht-Sensorelement dem elektrischen Widerstand (8) über ein in Reihe zu dem Widerstand liegendes, mit seinem Steuereingang am Impulsdraht-Sensorelement angeschlossenes, steuerbares Halbleiter-Bauelement (9) zugeordnet ist.

9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiter-Bauelement (9) aus einem Leistungs-Transistor besteht.

10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (8) mit dem im Reihe dazu liegenden Leistungs-Transistor parallel zum Stellmotor (2) geschaltet ist, wobei der Widerstand einerseits mit dem Kollektor des Leistungs-Transistors verbunden ist und andererseits zusammen mit dem einen Anschluß des Stellmotors auf Masse liegt, wobei der Emitter und der eine Anschluß des Impulsdraht-Sensorelementes sowie der andere Anschluß des Stellmotors mit dem positiven Pol der Spannungsversorgung (Ub) verbunden sind und wobei der andere Anschluß des Impulsdraht-Sensorelementes (7) mit der Basis des Leistungs-Transistors verbunden ist.

11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe zu dem Widerstand (8) liegende Leistungs-Transistor und das zugeordnete Impulsdraht-Sensorelement (7) über einen Brücken-Gleichrichter (10) elektrisch parallel zum Stellmotor (2) geschaltet sind.

12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brücken-Gleichrichter (10) ein Glättungskondensator nachgeschaltet ist.

13. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Reihe zu dem Widerstand (8) liegenden Leistungs-Transistor eine Zeitstufe (11) zugeordnet ist.

14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe zu dem Widerstand (8) liegende Leistungs-Transistor aus einem MOS-FET besteht, dessen Basis über eine das vom Impulsdraht-Sensorelement gelieferte, impulsartige Ausgangssignal zeitlich verlängernde Zeitstufe (11) mit dem einen Anschluß des Impulsdraht-Sensorelementes verbunden ist.

15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitstufe (11) im wesentlichen aus einem Kondensator (12) gebildet ist.

16. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitstufe (11) sich aus einer RC-Kombination (12, 13, 14) und einem zugeordneten Schaltmittel (15) zusammensetzt.

17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (15) aus einem Steuertransistor besteht.

18. Antriebseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors an dem einen Anschluß des Impulsdraht-Sensorelementes (7) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß mit dem Emitter des mit seinem Kollektor am positiven Pol der Spannungsversorgung (Ub) liegenden Steuertransistors verbunden ist, und daß der Emitter über einen Widerstand (13) mit der Basis des MOS-FET's verbunden ist, die außerdem über einen Kondensator (12) an Masse liegt.

19. Antriebseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Steuertransistors an dem einen Anschluß des Impulsdraht-Sensorelementes (7) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß mit dem am positiven Pol (+) der Spannungsversorgung (Ub) liegenden Emitter des Steuertransistors verbunden ist, daß der Kollektor über einen Lade-Widerstand (13) an der Basis des MOS-FET's angeschlossen ist, mit der auch ein Kondensator (12) und ein Entlade-Widerstand (14) einerseits verbunden sind, die andererseits an Masse liegen, wobei der Lade-Widerstand einen sehr viel größeren Widerstandswert als der Entlade-Widerstand aufweist.

20. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stromveränderungen mittels einer in einer vom Stellmotor (2) entfernt angeordneten Steuereinrichtung vorhandenen Zählschaltung erfaßt und zur Positionsbestimmung und/oder Positionierung des Stellelementes herangezogen werden.