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Title:
ACTUATING APPARATUS FOR A MECHANICAL COMPONENT AND CONTROL APPARATUS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/031465
Kind Code:
A1
Abstract:
In order to reduce the number of lines (6, 7) between a control apparatus (2) and an actuating apparatus (17), the invention proposes using an actuator control line (6) at the same time for supplying power to sensors (4, 5) and for transmitting a measurement signal generated by the sensors (4, 5). For this purpose, an actuator control line (6), which has a pulse-width-modulated actuator control signal applied to it, is connected to an energy storage unit (13) and a transmission apparatus (15).

Inventors:
GLEHR MANFRED (DE)
HEINRICH STEPHAN (DE)
Application Number:
EP2006/066134
Publication Date:
March 22, 2007
Filing Date:
September 07, 2006
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
GLEHR MANFRED (DE)
HEINRICH STEPHAN (DE)
International Classes:
F02D11/10
Domestic Patent References:
WO1998014856A11998-04-09
Foreign References:
DE10341396B32004-12-16
US5642044A1997-06-24
DE19621767A11997-12-04
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Stellvorrichtung für eine mechanische Komponente mit einem Sensor (4, 5) und mit einem Aktor (3), der mit Hilfe eines von einer zugehörigen Steuervorrichtung (2) erzeugten und an einen Eingang der Stellvorrichtung anlegbaren Steuersignals ansteuerbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aktor (3) und der Sensor (4, 5) in einer Baueinheit (1, 12, 14, 17) zusammengefasst sind, die über mehrfachen Funkti ¬ onen dienenden Leitungen (6, 7, 8, 11, 16) an die zugehörige Steuervorrichtung (2) anschließbar ist.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aktor (3) mit Hilfe eines über eine Aktorsteuerleitung (6) übertragenen pulsweitenmodulierten Steuersignals gesteuert ist, das eine Energiespeichereinheit (13) beaufschlagt, die den Sensor (4, 5) mit Energie versorgt.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Sensor (4, 5) ein Messsignal einer übertragungsvorrichtung (15) zuführt, die über eine Messsignalleitung (16) Mess- Signale in serieller Form überträgt.

4. Stellvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die übertragungsvorrichtung (15) die Aktorsteuerleitung (6) als Messsignalleitung benutzt.

5. Stellvorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die übertragungsvorrichtung (15) den Strom auf der Aktorsteu- erleitung (6) zur Datenübertragung moduliert.

6. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die übertragungsvorrichtung (15) die Funktion eines Multiple- xers aufweist, der die von einer Vielzahl von Sensoren (4, 5) erzeugten Messsignale an die zugehörige Steuervorrichtung (2) überträgt .

7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aktor (3) ein Stellantrieb für eine Drosselklappe eines Verbrennungsmotors ist.

8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Sensor (4, 5) ein die Stellung einer Drosselklappe umfassendes Potentiometer ist.

9. Steuervorrichtung für eine Stellvorrichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Steuervorrichtung zum Anschluss an eine Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Steuervorrichtung eine Pulsstromquelle (18) zur Ansteue ¬ rung eines Aktors (3) der Stellvorrichtung umfasst.

11. Steuervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Steuervorrichtung ein Schaltelement (32) aufweist, dessen Steuereingang (31) über einen Koppelkondensator (30) an eine der Datenübertragung von Sensor (4, 5) zur Steuervorrichtung dienenden Aktorsteuerleitung (6) angeschlossen ist.

Description:

Beschreibung

Stellvorrichtung für eine mechanische Komponente und Steuer ¬ vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für eine mechanische Komponente mit einem Sensor und mit einem Aktor, der mit Hilfe eines von einer zugehörigen Steuervorrichtung erzeugten und an einen Eingang der Stellvorrichtung anlegbaren Steuersignals ansteuerbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der Stellvorrichtung.

Derartige Stellvorrichtungen werden unter anderem in der

Automobilindustrie eingesetzt. Beispielsweise kann eine der ¬ artige Stellvorrichtung dazu verwendet werden, eine Drossel ¬ klappe zu betreiben, mit der die Luftzufuhr zu einem Verbrennungsmotor geregelt wird. Die gesamte Baugruppe besteht aus einer in einem Ansaugrohr angeordneten Drosselklappe, an der eine Feder angreift, mit der sich die Drosselklappe in eine sichere Ausgangslage rückstellen lässt. Die Drosselklappe ist von einem Klappenmotor betätigt, der die Drosselklappe ent ¬ sprechend einem von der Motorsteuerung vorgegebenen pulswei- tenmodulierten Steuersignal antreibt. Die Stellung der Dros ¬ selklappe wird mit Hilfe von zwei Stellungsmeldern überwacht, bei denen es sich beispielsweise um Potentiometer handelt. Insbesondere wird die Einhaltung des vorgegebenen Positions ¬ werts durch die beiden Potentiometereinstellungen überprüft. Aus Sicherheitsgründen sind die beiden Stellungsmelder doppelt vorhanden.

Das Steuersignal für den Klappenmotor sowie die von den Stel ¬ lungsmeldern abgegebenen Messsignale werden durch Leitungen zwischen der Motorsteuerung und dem Klappenmotor sowie den Stellungsmeldern übertragen. Weitere Leitungen dienen der

Versorgung des Klappenmotors und der Stellungsmelder mit Energie .

Ein Nachteil der bekannten Stellvorrichtung ist, dass eine große Anzahl von Steckverbindungen und Leitungen für die

Verbindung zwischen Steuervorrichtung einerseits und Klappenmotor und Stellungsmeldern andererseits vorgesehen werden muss. Entsprechend groß ist das Risiko fehlerhafter Steckver ¬ bindungen. Außerdem sind die Kosten für die Herstellung und Montage verhältnismäßig groß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung und eine zugehörige Steuervorrichtung zu schaffen, die auf einfache und sichere Weise den Datenaustausch zwischen der Stellvorrichtung und der Steuervorrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Stellvorrichtung und eine Steu ¬ ervorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Die Stellvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktor und der Sensor in eine Baueinheit zusammengefasst sind, die über mehrfachen Funktionen dienende Leitungen an die zugehörige Steuervorrichtung anschließbar ist. Dadurch lässt sich die Zahl der Leitungen und Steckverbindungen reduzieren. Denn Leitungen zwischen der Stellvorrichtung und der Steuervorrichtung können durch einfache Mittel sowohl zur übertra- gung verschiedener Datensignale als auch zur Energieübertra ¬ gung verwendet werden. Zwar sind dafür Halbleiterbauelemente erforderlich. In Anbetracht der durch die geringe Zahl von Steckverbindungen verringerten Störanfälligkeit, die insbesondere im Automobilbereich aufgrund der Vibrationsbelastung der Steckverbindungen kritisch ist, ergibt sich jedoch ein erheblicher Kostenvorteil.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Aktor mit Hilfe eines über eine Aktorsteuerleitung übertragenen puls- weitenmodulierten Steuersignals gesteuert, mit dem innerhalb der Baueinheit eine Energiespeichereinheit für die Energie- Versorgung des Sensors beaufschlagbar ist. Da für die Steuerung des Aktors in der Regel ein stromstarkes Steuersignal erforderlich ist, kann aus dem Steuersignal vorteilhafterwei ¬ se Energie für die Energieversorgung des Sensors abgezweigt werden. Außerdem lässt sich dadurch die für die Energiever- sorgung des Sensors ansonsten erforderliche Versorgungslei ¬ tung einsparen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das vom Sensor erzeugte Messsignal einer innerhalb der Baueinheit ausgebildeten übertragungseinheit zugeführt, die das Messsig ¬ nal in digitalisierter Form über die Steuerleitung zur zugehörigen Steuervorrichtung überträgt. Dadurch kann eine separate Leitung zur übertragung der Messsignale eingespart werden .

Wenn die übertragungseinheit zusätzlich die Funktion eines Multiplexers aufweist, können die Messsignale mehrere Senso ¬ ren über die Steuerleitung übertragen werden. Unabhängig von der Zahl der Sensoren sind daher lediglich noch zwei Leitun- gen zwischen der Steuervorrichtung und der Stellvorrichtung erforderlich, über die die Energieversorgung und die übertragung der Steuer- und Messsignale erfolgt.

Da über die zwischen der Steuervorrichtung und der Stellvor- richtung eingerichteten Leitungen auch die Energieversorgung des Aktors und des Sensors erfolgt, ist es von Vorteil, wenn die Leitungen niederohmig betrieben werden. Signale lassen sich dabei durch Modulation der Stromstärke übertragen.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbei-

spiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Stellvorrichtung und einer Steuervorrichtung;

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Stelleinheit, bei der die Energieversorgung der Sensoren über eine Steuerleitung eines Aktors erfolgt;

Figur 3 ein Blockschaltbild einer Stelleinheit, bei der die von den Sensoren erzeugten Messsignale über eine gemeinsame Messsignalleitung übertragen werden;

Figur 4 ein Blockschaltbild einer Stelleinheit, bei der die Messsignale und die Steuersignale über eine gemein ¬ same Leitung übertragen werden;

Figur 5 eine mögliche Schaltung für eine Steuereinheit mit der die Stellvorrichtung an Figur 4 betätigbar ist;

Figur 6 eine Schaltung für die Stelleinheit aus Figur 4; und

Figur 7 ein Diagramm, in dem der Spannungsverlauf auf einer der gemeinsamen übertragung von Steuer- und Messsignalen dienenden übertragungsleitung dargestellt ist .

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Stelleinheit 1 mit zugehöriger Steuereinheit 2. Die Stelleinheit 1 bildet eine Baueinheit, die einen Aktor 3 umfasst, der beispielsweise dem Betätigen einer Drosselklappe dient. Die Stelleinheit 1 um ¬ fasst ferner Sensoren 4 und 5, die dazu dienen, die Position der vom Aktor 3 betätigten Drosselklappe zu erfassen und der Steuereinheit 2 zu melden. Bei der in Figur 1 dargestellten Stelleinheit 1 ist der Aktor 3 über eine Aktorsteuerleitung 6

mit einem pulsweitenmodulierten Aktorsteuersignal beauf ¬ schlagt. Der Aktorsteuerleitung 6 ist eine Aktormasseleitung 7 zugeordnet .

Die Sensoren 4 und 5 werden über eine Sensorversorgungslei ¬ tung 8 mit Energie beaufschlagt. Die von den Sensoren 4 und 5 erzeugten Messsignale werden über Messsignalleitungen 9 und 10 an die Steuereinheit 2 weitergegeben. Der Sensorversorgungsleitung 8 sowie den Messsignalleitungen 9 und 10 ist eine gemeinsame Sensormasseleitung 11 zugeordnet. Bei der in Figur 1 dargestellten Stelleinheit 1 erfolgt die Versorgung der Sensoren 4 somit über eine gemeinsame Sensorversorgungs ¬ leitung 8 und eine gemeinsame Sensormasseleitung 11, die auch die Masseleitung für die Messsignalleitungen 9 und 10 bildet.

Durch das Zusammenfassen des Aktors 3 mit den Sensoren 4 und 5 zu einer einheitlichen Baueinheit können die Sensorversorgungsleitungen und die Sensormasseleitungen zu der gemeinsamen Sensorversorgungsleitung 8 und der gemeinsamen Sensormas- seleitung 11 zusammengefasst werden. Dadurch können zwei

Leitungen und die zugehörigen Steckverbindungen eingespart werden .

In Figur 2 ist eine weitere Stelleinheit 12 dargestellt, bei der das Aktorsteuersignal für den Aktor 3 nicht nur dem Aktor 3, sondern auch einer Energiespeichereinheit 13 zugeführt wird, die die Sensoren 4 und 5 mit Energie aus dem Aktorsteu ¬ ersignal versorgt. Damit kann die Sensorversorgungsleitung 8 und die Sensormasseleitung 11 eingespart werden. Die Aktor- masseleitung 7 übernimmt dabei die Funktion einer gemeinsamen Masseleitung für den Aktor 3, für die Energiespeichereinheit 13 und für die Sensoren 4 und 5.

Figur 3 zeigt eine weitere Stelleinheit 14, bei der eine zusätzliche übertragungsvorrichtung 15 vorgesehen ist, die die Funktion eines Multiplexers aufweist, durch den die von den Sensoren 4 und 5 erzeugten Messsignale digitalisiert und

über eine Messsignalleitung 16 an die Steuereinheit 2 übertragen werden. In diesem Fall ist nur noch die Aktormasseleitung 7 als gemeinsame Masseleitung vorgesehen. Es sind daher nur noch drei Leitungen zwischen der Steuereinheit 2 und der Stelleinheit 14 vorhanden, nämlich die Aktorsteuerleitung 6, die Aktormasseleitung 7 und die gemeinsame Messsignalleitung 16.

In Figur 4 ist eine weitere Stelleinheit 17 dargestellt, bei der die übertragung der Messsignale über die Aktorsteuerlei ¬ tung 6 erfolgt. Es werden daher lediglich die Aktorsteuerlei ¬ tung 6 und die Aktormasseleitung 7 benötigt.

Figur 5 zeigt eine mögliche Schaltung für die Steuereinheit 2 zum Betrieb der Stelleinheit 17 aus Figur 4. Die Steuerein ¬ heit 2 für die Stelleinheit 17 aus Figur 4 umfasst eine Kon ¬ stantstromquelle 18 mit einem als Emitterfolger geschalteten pnp-Transistor 19, einem Emitterwiderstand 20 und einer Hilfsspannungsquelle 21, der eine Verpolungsschutzdiode 22 vorgeschaltet ist. Der Emitter des pnp-Transistors 19 ist über den Emitterwiderstand 20 mit einer Autobatterie 23 ver ¬ bunden. Ferner verfügt die Steuereinheit 2 über eine Puls ¬ stromquelle 24, von der ein pulsweitenmoduliertes Stromsignal zur Steuerung des Aktors 3 erzeugt wird. Die Pulsstromquelle 24 umfasst, ebenso wie der Konstantstromquelle 18, einen als Emitterfolger geschalteten pnp-Transistor 25 mit vorgeschaltetem Emitterwiderstand 26, der an die Autobatterie 23 ange ¬ schlossen ist. Ferner umfasst die Pulsstromquelle 24 einen an die Basis des pnp-Transistors 25 angeschlossenen Pulsgenera- tor 27 mit vorgeschalteter Verpolungsschutzdiode 28. Die

Konstantstromquelle 18 schickt einen konstanten Strom über die Aktorsteuerleitung 6, während die Pulsstromquelle 24 ein pulsweitenmoduliertes Stromsignal über die Aktorsteuerleitung 6 sendet. Von der Dauer der Strompulse hängt dabei die Stel- lung der vom Aktor 3 betätigten Drosselklappe ab.

An die Aktorsteuerleitung 6 ist ferner ein Koppelkondensator 29 angeschlossen, der an einem Knoten 30 mit dem Steuereingang 31 eines Signaltransistors 32 verbunden ist. Mit Hilfe des Signaltransistors 32 und einer nachfolgenden, in Figur 5 nicht dargestellten Signalauswerteschaltung können die von den Sensoren 4 und 5 erzeugten Messsignale erfasst werden. Der Signaltransistors 32 und die nachfolgende, in Figur 5 nicht dargestellte Signalauswerteschaltung werden von einer Energieversorgung 33 mit Energie versorgt, die über eine überbrückungsdiode 30 an die Aktorsteuerleitung 6 angeschlos ¬ sen ist. Zum Schutz des Signaltransistors 32 sind schließlich Schutzdioden 34 und 35 vorgesehen, durch die negative Spannungspegel am Eingang des Signaltransistors 32 verhindert werden .

In Figur 6 ist eine mögliche Schaltung der Stelleinheit 17 aus Figur 4 dargestellt. Der besseren übersichtlichkeit hal ¬ ber sind dabei die Sensoren 4 und 5 nicht in Figur 6 enthal ¬ ten .

Gemäß Figur 6 ist der Aktor 3, der einen ohmschen Widerstand 36 und eine Induktivität 37 beinhaltet, unmittelbar an die Aktorsteuerleitung 6 und die Aktormasseleitung 7 angeschlossen .

Die Energiespeichereinheit 13 umfasst eine Verpolungsschutz- diode 38, einen Speicherkondensator 39 und einen Spannungsregler 40, der die Versorgungsspannung für die übertragungsvorrichtung 15 und die in Figur 6 nicht dargestellten Senso- ren 4 und 5 bereitstellt.

Die übertragungsvorrichtung 15 umfasst einen Strommodulator 41, durch den dem über die Aktorsteuerleitung 6 und die Aktormasseleitung 7 fließenden Strom ein Messsignal aufmodu- liert werden kann.

In Figur 7 ist schließlich die über die Aktorsteuerleitung 6 abfallende Spannung dargestellt. Neben Steuerpulsen 42, deren Dauer die Position der vom Aktor 3 betätigten Drosselklappe bestimmt, sind Datenpulse 43 vorhanden. Die Steuerpulse 42 werden mit Hilfe der Pulsstromquelle 24 erzeugt. Die Daten ¬ pulse 43 dagegen werden mit Hilfe der Konstantstromquelle 18 und dem Strommodulator 41 erzeugt, wobei die Flanken der Datenpulse 43 als Spannungspulse am Signaltransistor 32 anle ¬ gen und von dort ausgelesen werden können.

Es sei angemerkt, dass neben den anhand Figur 5 und 6 be ¬ schriebenen Schaltungen auch andere zur übertragung von Daten über Energieversorgungsleitungen geeignete Schaltungen und Verfahren verwendet werden können.




 
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