LIN-basierte Mechatronische Ventilsteuerung Effiziente Klimatisierung

Bild 3: Resonanzcharakteristik

Den mitunter höchsten Energieverbrauch innerhalb eines Fahrzeugs weist die Klimaanlage und deren Steuerung auf. Wenn unsere Autos effizienter werden sollen, sind Verbesserungen an der Klimaanlage ein wichtiger Schritt dorthin. Dies lässt sich mithilfe von Stellantrieben für lineare Schrittmotoren verwirklichen.

Ein wesentliches Kriterium von Stellantrieben (Aktuatoren) ist die Notwendigkeit der Platzierung der integrierten Elektronik. Stellantriebe, die direkt von einer ECU (Electronic Control Unit) angesteuert werden, benötigen keine eigene Elektronik. Arbeitet der Stellantrieb in einem geschlossenen Regelkreis, ist dieser meist auf Systemebene geschlossen. Im Gegensatz dazu enthalten mechatronische Stellantriebe eine Art integrierte Elektronik. Der Entwickler kann somit einen geschlossenen Regelkreis mit lokaler Rückkopplung bilden oder den Regelkreis indirekt über die Systemebene schließen. Mechatronische Stellantriebe sind in Gebläsemodulen äußerst gängig.

Bild 1 zeigt die lokale Rückkopplung und Regelung, die gewährleistet, dass sich die Temperatur und Lüfterdrehzahl wie gewünscht einstellt. Die Rückkopplung auf Systemebene wird somit durch den Anwender geschlossen. Herkömmliche Stellantriebe für Schrittmotoren kommen meist bei kleineren Positionierungsfunktionen zum Einsatz, zum Beispiel bei Frontscheinwerfern, Luftklappen und Leerlaufregelung. Für andere Anwendungen sind Schrittmotoren eher nicht vorgesehen, da sie eine recht komplexe Steuerungssoftware erfordern. Da eine Positionssteuerung mit offenem Regelkreis nicht immer möglich ist, ist eine zusätzliche Positionsbestimmung nötig. Außerdem können Resonanzen auftreten, die zu Geräuschentwicklung, Vibration und Schrittverlust führen. Diese Hindernisse lassen sich umgehen. Dies ist auf ein »intelligenteres « Layout der SPI-Register (Serial Peripheral Interface) und anderer Leistungsmerkmale zurückzuführen, die in letzter Zeit entwickelt wurden.

Bilder: 5

Effiziente Klimatisierung

Effiziente Klimatisierung

Die Softwarecodierung pro Antrieb lässt sich nun auf ein absolutes Minimum verringern. Externe Positionssensoren in das Schrittmotordesign integrieren zu müssen, ist ganz klar ein Hindernis. Es gibt aber eine Möglichkeit, ein Positioniersystem mit geschlossenem Regelkreis zu entwickeln, wenn man den Motor als Sensor betrachtet.

Bild 2 zeigt einen Schrittmotor, der plötzlich beschleunigt wird, dann mit konstanter Geschwindigkeit läuft und schließlich blockiert (Stillstand). Die Änderungen der Rotorgeschwindigkeit lassen sich über die gemessene BEMF-Kurve (Back Electromotive Force, gegenelektromotorische Kraft) genau wiedergeben. Auch der Blockierzustand ist durch das BEMF-Signal klar ersichtlich, wenn die Rotordrehzahl plötzlich auf 0 °/s abfällt. Ein Schrittmotor enthält bauartbedingt also einen integrierten virtuellen Sensor, dessen Ausgangssignal durch die BEMF-Messung ersichtlich wird. Somit lässt sich ein sensorloses Positioniersystem mit geschlossenem Regelkreis entwickeln. Dieser virtuelle Sensor ist vor allem beim Auftreten von Resonanzen und zur Blockiererkennung hilfreich. Normalerweise lassen sich Resonanzzustände in Schrittmotor-Applikationen nicht erkennen, da kein Sensor integriert ist – es findet sich auch kein Platz für einen solchen. Selbst wenn ein Sensor mit installiert würde, ändert sich die Gesamtmasse und somit das Resonanzverhalten des gesamten Systems.

Bild 3 zeigt die Resonanzcharakteristik eines Schrittmotorsystems mittels eines Pulsgenerators (der die Schrittmotorfrequenz wobbelt) und eines Oszilloskops, das an den Motortreiber angeschlossen ist.