DE19817891A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Stellsignals für einen Gleichstrom-Aktuator - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Stellsignals für einen Gleichstrom-AktuatorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten
Stellsignals für einen Gleichstrom-Aktuator, mit einem
Pulsbreitenmodulator, bestehend aus einem Sägezahngenerator,
der ein relativ hochfrequentes Sägezahnsignal mit einer
konstanten Frequenz und einer Maximalamplitude, die gleich dem
Wert der als Referenzspannung dienenden Versorgungsspannung
ist, erzeugt, und mit einem Komparator, an den das
Sägezahnsignal und ein kontinuierliches Stellsignal
vorbestimmter Größe als Eingangssignale anlegbar sind, und der
so aufgebaut ist, daß er ein erstes binäres Schaltsignal für
mindestens einen im Gleichstromkreis des Aktuators, der an die
Versorgungs-Gleichspannung angeschlossen ist, angeordneten
Schalter abgibt, wenn die Sägezahnspannung unterhalb des
Stellsignals liegt sowie ein zweites negiertes binäres
Schaltsignal abgibt, wenn die Sägezahnspannung oberhalb des
Stellsignals liegt, und der damit in einem vorgegebenen
Tastverhältnis ein pulsbreitenmoduliertes Stellsignal mit einer
den Wert des kontinuierlichen Stellsignals repräsentierenden
Pulsbreite und einer Pulsamplitude entsprechend der
Versorgungsspannung erzeugt.
Bei elektronischen Steuerungen und Regelungen werden häufig
elektrische Gleichstrom-Aktuatoren eingesetzt, die für das
elektrische bzw. elektromagnetische Teilsystem ein merkliches
Tiefpaßverhalten in Bezug auf das Stellsignal haben. Typische
Beispiele für derartige Aktuatoren sind Gleichstrom-Motoren
bzw. Elektromagnete, wie sie beispielsweise zur Betätigung
einer elektrischen Feststellbremse oder eines
elektrohydraulischen Druckerzeugers bzw. bei der
Fremdansteuerung eines elektromechanisch ansteuerbaren
Bremskraftverstärkers Anwendung finden.
Zur Minimierung der Verlustleistung bei der Ansteuerung
derartiger elektrischer Gleichstrom-Aktuatoren werden die
zugehörigen Leistungsverstärker üblicherweise mittels eines
pulsbreitenmodulierten Stellsignals im kHz-Bereich angesteuert.
Der zugehörige Pulsbreitenmodulator besteht aus einem
Sägezahngenerator, der ein sägezahnförmiges Signal mit der
vorgegebenen, konstanten kHz-Frequenz und einer Maximal
amplitude, die gleich dem Wert einer Referenzspannung ist,
erzeugt, und einem Komparator, der das Sägezahnsignal mit dem
Wert eines kontinuierlichen Stellsignal, abgeleitet aus dem
Steuer- oder Regelkreis, das zwischen einem Maximal- und einem
Minimalwert schwankt, vergleicht. Bei einem Gleichstrommotor
als Aktuator ist das Stellsignal beispielsweise die Anker
spannung zur Einstellung des gewünschten Drehmomentes des
Motors. Die Referenzspannung entspricht dem Nominalwert der
Versorgungsspannung, wobei im Fall der Anwendung bei einem
Kraftfahrzeug die Versorgungsspannung im allgemeinen gleich der
Bordnetz-Batteriespannung ist.
Der Komparator des Pulsbreitenmodulators ist weiterhin so
aufgebaut, daß er ein binäres Schaltsignal für mindestens einen
im Gleichstromkreis des Aktuators angeordneten Schalter abgibt,
wenn das Sägezahnsignal unterhalb des Stellsignals liegt, und
der damit in einem vorgegebenen Tastverhältnis ein pulsbreiten
moduliertes Stellsignal mit einer den Wert des kontinuierlichen
Stellsignals repräsentierenden Pulsbreite und einer
Pulsamplitude entsprechend der Versorgungsspannung erzeugt.
Aufgrund des Tiefpaßverhaltens für das elektrische bzw.
elektromagnetische Teilsystem des Aktuators stellt sich dann im
Aktuator ein mittlerer kontinuierlicher Aktuatorstrom
gewünschter Größe zur Betätigung des Aktuators entsprechend der
Sollvorgabe aus der Steuerung bzw. der Regelung ein.
In Fig. 4 ist das Prinzip der Wirkungsweise eines derartigen
Pulsbreitenmodulators dargestellt. Im Abschnitt A ist das
kontinuierliche Stellsignal UA in seinem zeitlichen Verlauf
dargestellt. Bei einem Gleichstrommotor als Aktuator ist
beispielsweise dieses Stellsignal UA die Ankerspannung des
Motors. Die Größe der Stellsignals wird in einem übergeordneten
Steuer- oder Regelmodul, z. B. einem Mikroprozessor, so
bestimmt, daß der Gleichstrom-Aktuator mit der notwendigen,
gewünschten Stellgröße angesteuert wird.
Der Abschnitt B zeigt den Verlauf des Sägezahnsignals in Bezug
auf das Stellsignal UA, wobei die maximale Amplitude des
Sägezahnsignals gleich der Referenzspannung (URef) ist, die im
Fall der Anwendung in einem Kraftfahrzeug überlicherweise der
Bordnetz-Batteriespannung UBat,N mit dem Nominalwert UBat,N = 12
Volt entspricht.
Der Pulsbreitenmodulator erzeugt ein binäres Schaltsignal für
mindestens einen im Gleichstromkreis des Gleichstrom-Aktuators
liegenden Schalter, je nachdem, ob das Sägezahnsignal unter- oder
oberhalb des Stellsignals UA liegt.
In der Fig. 5 sind zwei typische bekannte Aktuatoren mit ihren
Gleichstromkreisen, die von der Versorgungsspannung, im Beispiel
von der Batteriespannung des Kraftfahrzeuges, betrieben werden,
dargestellt. Der Teil A zeigt einen Gleichstrommotor M für eine
bidirektionale Bewegung, wie er beispielsweise zur Betätigung
einer elektrischen Feststellbremse verwendet wird. Es sind vier
Schalter S1 bis S4, die symbolisch die zugehörigen
Leistungstransistoren bedeuten, dargestellt, die von dem
erwähnten Schaltsignal PWM und einem negierten Schaltsignal PWM
gesteuert werden.
Im Teil B ist die Ansteuerung eines Elektromagneten HM, wie er
beispielsweise bei der Fremdbetätigung eines elektromechanisch
ansteuerbaren Bremskraftverstärker Anwendung findet, über einen
Schalter S, der von dem erwähnten Schaltsignal geschaltet wird,
dargestellt.
Die Einschaltdauer Tein und die Ausschaltdauer Taus der Schalter
ist in Fig. 4 im Teil C dargestellt. Dieses Diagramm zeigt das
pulsbreitenmodulierte Stellsignal, das in den Gleichstrom
kreisen der Aktuatoren aufgrund der erwähnten Tiefpaßver
haltens zu einem mittleren Aktuatorstrom (nicht dargestellt)
der gewünschten Größe führt.
Bei der Ableitung, insbesondere Berechnung des kontinuierlichen
Stellsignals, sowie bei der Konfiguration des Pulsbreiten
modulators, wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß die zur
Ansteuerung des Aktuators vom Pulsbreitenmodulator zu
schaltende Versorgungsspannung, im Beispiel die Bordnetz-Batte
riespannung UBat, immer konstant ist und dem Nominalwert
der Batteriespannung UBat,N = 12 Volt entspricht, und sich daher
bei einem definierten Stellsignal UA immer das gleiche
Tastverhältnis p = Tein/T ergibt. Dabei repräsentiert die Zeit T
die Periodendauer des Sägezahnsignals. Mit der Annahme, daß die
zu schaltende Versorgungsspannung UBat ihrem Nominalwert UBat,N
entspricht, gilt dann für das Stellsignal UA der Zusammenhang:
UA = p.UBat = p.Ubat,N (1)
Bei der Bestimmung des Tastverhältnisses p wird, insbesondere
bei einer Realisierung auf einem Mikrocontroller, der
Nominalwert der zu schaltenden Versorgungsspannung UBat,N
zugrunde gelegt. Entspricht nun die tatsächlich geschaltete
Versorgungsspannung UBat nicht ihrem Nominalwert UBat,N, wie
der bei der Berechnung des Tastverhältnisses p zugrunde gelegt
wurde, dann bleibt das Tastverhältnis p und damit die
Pulsbreite konstant, die Pulsamplitude weicht allerdings von
ihrem Nominalwert, nämlich UBat,N ab. Aufgrund Gl. (1) entsteht
daher im Aktuator-Kreis im Mittel ein von der Vorgabe UA
abweichender Spannungswert UA, mit dem der Aktuator nun
tatsächlich angesteuert wird.
Als Konsequenz ergibt sich, daß in diesem Fall die Stellgröße
einer übergeordneten Regelung bzw. -Steuerung nicht exakt
umgesetzt wird, da der Aktuator mit einem, z. B. von dem
Stellsignal verschiedenen Wert, angesteuert wird. Dies führt zu
einer Verschlechterung der Regelgüte, die umso schwerwiegender
wird, je stärker die tatsächliche Versorgungsspannung von der
Nominalspannung abweicht. In Einzelfällen kann es auch dazu
führen, daß der Regelkreis einen vorgegebenen Sollwert nicht
einstellen kann oder zu Instabilitäten neigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs
bezeichnete Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines
vorbestimmten pulsbreitenmodulierten Stellsignals für einen
Gleichstrom-Aktuator, mit einem Pulsbreitenmodulator, bestehend
aus einem Sägezahngenerator, der ein relativ hochfrequentes
Sägezahnsignal mit einer konstanten Frequenz und einer
Maximalamplitude, die gleich dem Wert der als Referenzspannung
dienenden Versorgungsspannung ist, erzeugt, und mit einem
Komparator, an den das Sägezahnsignal und ein kontinuierliches
Stellsignal vorbestimmter Größe als Eingangssignale anlegbar
sind, und der so aufgebaut ist, daß er ein erstes binäres
Schaltsignal für mindestens einen im Gleichstromkreis des
Aktuators, der an die Versorgungsspannung angeschlossen ist,
angeordneten Schalter abgibt, wenn die Sägezahnspannung
unterhalb des Stellsignals liegt sowie ein zweites negiertes
binäres Schaltsignal abgibt, wenn die Sägezahnspannung oberhalb
des Stellsignals liegt, und der damit in einem vorgegebenen
Tastverhältnis ein pulsbreitenmoduliertes Stellsignal mit einer
den Wert des kontinuierlichen Stellsignals repräsentierenden
Pulsbreite und einer Pulshöhe entsprechend der Versorgungs
spannung erzeugt, so auszubilden, daß das Tastverhältnis an den
tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung angepaßt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß der tatsächliche Wert der Versorgungs
spannung ermittelt wird und das Tastverhältnis an den
tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung angepaßt wird.
Dabei wird vorzugsweise ein Nominalwert der Versorgungsspannung
durch den tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung dividiert
zur Bildung eines Skalierungsfaktor, mit dem das
kontinuierliche Stellsignal umskaliert wird.
Eine geeignete Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß ein erstes
Funktionsmodul vorgesehen ist, das den Skalierungsfaktor
errechnet, und dem ein zweites Funktionsmodul nachgeschaltet
ist, in dem das kontinuierliche Stellsignal mit dem
Skalierungsfaktor multipliziert wird und dem Pulsbreiten
modulator zugeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens wird daher nicht das aus dem
Regel-/Steuerkreis abgeleitete, insbesondere errechnete
Stellsignal dem Pulsbreitenmodulator unmittelbar zugeführt,
sondern dieses Stellsignal wird mit einem Skalierungsfaktor
multipliziert und erst dann dem Pulsbreitenmodulator zugeführt.
Durch diese Umskalierung des Stellsignals ist gewährleistet,
daß für das geforderte Stellsignal das Tastverhältnis so
eingestellt wird, daß die mittels des Pulsbreitenmodulators an
den Aktuator angelegte Aktuatorspannung unabhängig von der
tatsächlich zu schaltenden Versorgungsspannung immer dem
gewünschten Wert entspricht. Dies gilt sowohl für den Fall, daß
die tatsächliche Versorgungsspannung gleich der Nominalspannung
ist, als auch für Versorgungsspannungen, die sich mehr oder
weniger stark von der Nominalspannung unterscheiden.
Vorzugsweise werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die
Funktionsmodule der Schaltungsanordnung durch Programm-Module
eines Mikroprozessors gebildet, der in der Regel ohnehin in den
übergeordneten Steuerungen bzw. Regelungen enthalten ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird das Stellsignal vor der Umskalierung durch Multiplikation
mit dem Skalierungsfaktor zunächst einem Begrenzer zugeführt,
der das Stellsignal in beide Richtungen begrenzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens findet vorzugsweise Anwendung bei
elektronischen Systemen in Kraftfahrzeugen. So ist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung der Aktuator vorzugsweise ein
Gleichstrommotor, der beispielsweise der Betätigung einer
elektrischen Feststellbremse oder eines elektrohydraulischen
Druckerzeugers dient.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der
Aktuator ein Elektromagnet zur Fremdansteuerung eines
elektromechanisch ansteuerbaren Bremskraftverstärkers in einem
Kraftfahrzeug.
Bei all diesen Verwendungen in Kraftfahrzeugen ist vorzugsweise
die Versorgungsspannung die Bordnetz-Batteriespannung.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei
spiels wird die Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Funktionsmodule zum Umskalieren der einem
Pulsbreitenmodulator zugeführten Stellspannung,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Erfindung,
Fig. 3 ein Flußdiagramm für die Umskalierung der Stellspannung
am Beispiel einer Ankerspannung für einen Gleich
strommotor als Aktuator, und
Fig. 4 und Fig. 5 die bereits erläuterten Diagramme und Schaltungen
zur Darstellung der bekannten prinzipiellen
Wirkungsweise einer Pulsbreitenmodulator-Anordnung.
Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines
Stellsignals UA,St für einen Gleichstrom-Aktuator 1, wie er
beispielsweise in der Fig. 5 dargestellt ist. Die Schaltungs
anordnung weist einen Pulsbreitenmodulator 2 auf, der einen
bekannten Aufbau hat, wie er anhand der Fig. 4 bereits
erläutert worden ist, d. h. der ein pulsbreitenmoduliertes
Signal erzeugt, bei dem in der Pulsbreite die Information über
das gewünschte Stellsignal enthalten ist.
Während bei der bekannten Ausführungsform das aus einem
Regelkreis oder einer Steuerung, abgeleitete Stellsignal UA
direkt dem Pulsbreitenmodulator 2 zugeführt wird, mit den
erläuterten Nachteilen, wenn die der Bestimmung des Tastver
hältnisses für das Stellsignal zugrunde gelegten Nominal-Versor
gungsspannung UBat,N nicht mit der Ist-Versorgungs-Gleich
spannung UBat,Ist, übereinstimmt, ist bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein erstes Funktionsmodul
3 vorgesehen, dem als Eingangsgröße der Wert der tatsächlichen
Versorgungsspannung UBat,N zugeführt wird, die mit dem
vordefinierten Wert für die Nominal-Versorgungsspannung UBat,N
unter Bildung des Quotienten der Werte verglichen wird. Als
Ausgangsgröße des Funktionsmoduls 3 steht daher die Information
über einen Skalierungsfaktor zur Verfügung, der ein Maß für die
Abweichung der tatsächlichen Versorgungsspannung von der
Nominalspannung enthält, wobei der Wert des Skalierungsfaktors
an ein Funktionsmodul 5 weitergeleitet wird, in dem eine
Multiplikation mit dem in einem vorgeschalteten Begrenzer 4
nach oben wie nach unten begrenzten Stellsignal UA erfolgt.
Das Stellsignal wird dabei aus einer übergeordneten Regelung
bzw. Steuerung unter Annahme einer konstanten Referenzspannung,
die dem Wert der Nominal-Versorgungsspannung entspricht,
bestimmt. Das skalierte Stellsignal als Ausgangsgröße des
Funktionsmoduls 5 wird dann als Eingangssignal 2 dem Puls
breitenmodulator 2 zugeführt. Ist, wie bereits erwähnt, der
Aktuator ein Elektromotor, dann ist das Stellsignal die dem
Elektromotor zu führende Aktuatorspannung und wenn der Aktuator
im Kraftfahrzeug eingesetzt wird, ist die Versorgungsspannung
üblicherweise die Bordnetz-Batteriespannung.
Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird erreicht, daß das
Tastverhältnis des von dem Pulsbreitenmodulator 2 angesteuerten
Aktuators 1 an eine zeitlich sich verändernde Versorgungs-Gleich
spannung UBat angepaßt wird. Dieser Effekt soll anhand
des Diagrammes nach Fig. 2, das demjenigen nach Fig. 4/B
entspricht, erläutert werden. Die ausgezogene Sägezahnkurve
soll den Verlauf bei einer Nominal-Versorgungsspannung UBat,N
wiedergeben. An den Schnittpunkten t1, t2 und t3 mit dem
Stellsignal UA erzeugt der Pulsbreitenmodulator 2 ein
Schaltsignal, ebenso nach Erreichen der Maximalamplitude.
Sinkt nun die Versorgungsspannung auf den gestrichelt
dargestellten Wert UBat,Ist, dann folgt für das Stellsignal
UA,Ist, daß bei unverändertem Tastverhältnis p die
Pulsamplitude, mit der der Aktuator angesteuert wird, ebenfalls
auf den Wert UBat,Ist absinkt. Anstelle des gewünschten
Stellsignals UA wird daher ein um den Faktor SK vermindertes
Signal dem Aktuator zugeführt. Damit nun das gewünschte
Stellsignal UA auch bei einer vom Nominalwert der
Versorgungsspannung abweichenden Größe tatsächlich dem Aktuator
zugeführt wird, muß das gewünschte Stellsignal UA durch
Multiplikation mit dem Skalierfaktor SK im Funktionsmodul 5 in
Fig. 1 zu einem Stellsignal UA umskaliert werden. Man erkennt
anhand Fig. 2, daß sich dadurch das Tastverhältnis p
entsprechend der gesunkenen Versorgungsspannung erhöht, so daß
der Aktuator dann mit dem gewünschten Stellsignal angesteuert
wird.
Die in Fig. 1 dargestellten Funktionsmodule sind vorzugsweise
Programm-Module eines Mikroprozessors, der ohnehin in den
modernen Steuerungs- und Regelungsanlagen vorhanden ist. Das
zugehörige Flußdiagramm ist in Fig. 3 dargestellt, und ist
aufgrund der Beschreibung der Schaltung in Fig. 1 in sich
verständlich.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten
Stellsignals (UA,St) für einen Gleichstrom-Aktuator, das ein
von einem kontinuierlichen Stellsignal (UA) abhängiges
Tastverhältnis (p) aufweist und dessen Wert durch die
Pulsbreite repräsentiert wird und dessen Amplitude einer
Versorgungsspannung entspricht, dadurch gekennzeichnet,
daß der tatsächliche Wert der Versorgungsspannung
(UBat,Ist) ermittelt wird und das Tastverhältnis (p) an den
tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung angepaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Nominalwert (UBat,N) der Versorgungsspannung durch den
tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung (UBat,Ist)
dividiert wird zur Bildung eines Skalierungsfaktors (SK),
mit dem das kontinuierliche Stellsignal (UA) umskaliert
wird.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 oder 2, mit einem Pulsbreitenmodulator (2) zur
Ansteuerung des Gleichstrom-Aktuators, dadurch
gekennzeichnet, daß ein erstes Funktionsmodul (3)
vorgesehen ist, das den Skalierungsfaktor errechnet, und
dem ein zweites Funktionsmodul (5) nachgeschaltet ist, in
dem das kontinuierliche Stellsignal (UA) mit dem
Skalierungsfaktor (SK) multipliziert wird und dem
Pulsbreitenmodulator (2) zugeführt wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Funktionsmodule (3, 5) durch
Programm-Module eines Mikroprozessors gebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Begrenzer (4) zur Begrenzung des
Stellsignals (UA) in beiden Richtungen vorgesehen ist, der
dem zweiten Funktionsmodul (5) vorgeschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (2) ein
Gleichstrommotor ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor der Betätigung
einer elektrischen Feststellbremse dient.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor der Betätigung
eines elektrohydraulischen Druckerzeugers dient.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (2) ein
Elektromagnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektromagnet der Fremdansteuerung
eines elektromechanisch ansteuerbaren
Bremskraftverstärkers dient.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Wert der
Versorgungsspannung die Bordnetz-Batteriespannung ist.
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