In Bearbeitung

Bitte warten ...

Einstellungen

Einstellungen

Gehe zu Anmeldung

1. WO2020104614 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ANSTEUERUNG EINES ZUGANKERMAGNETEN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerurm eines Zuaankermaaneten

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 129 489.1 vom 22. November 2018 in Anspruch, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung gehört.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines im Ruhestand eine potentiell veränderte Luftspaltbreite aufweisenden Zugankermagneten zur Erzeugung einer vorgegebenen, vom Zugankermagnet auszuübenden Kraft zur Verwendung in einer Fahrzeug-Bedieneinheit mit haptischem Feedback. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren für den Einsatz bei Bedieneinheiten mit haptischem Feedback für Fahrzeuge. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeug-Bedieneinheit mit haptischem Feedback unter Verwendung des zuvor genannten Verfahrens und/oder der zuvor genannten Vorrichtung.

Zugankermagnete werden beispielsweise bei Bedieneinheiten mit haptischem Feedback eingesetzt, um ein berührungssensitives Bedienelement wie beispielsweise einen Touchscreen zur taktilen Rückmeldung einer validen Befehlseingabe pulsartig mechanisch anzuregen. Dabei sollte diese pulsartige mechanische Anregung über die Lebensdauer der Bedieneinheit möglichst konstant gleichbleibend sein.

Durch Alterungs- und Temperatureinflüsse sowie fertigungsbedingt unterliegt der im Ruhezustand eines Zugankermagneten gegebene Luftspalt Toleranzen im Bereich bis zu einigen 100 pm. Die Größe des Luftspalts geht in guter Näherung umgekehrt proportional zur Induktivität der Erregerspule des Zugankermagneten bzw. der Induktivität des Zugankermagneten ein, so dass ein und dasselbe elektrische Ansteuerungssignal, mit dem die Erregerspule beaufschlagt wird, erhebliche unterschiedliche Kraftkurven hervorruft.

In der Praxis wird die Ansteuerung von Zugankermagneten häufig durch eine Echtzeit-Regelschleife realisiert, mit deren Hilfe der Einfluss des Luftspalts ausgeglichen und dementsprechend berücksichtigt werden kann. Ein Beispiel für ein derartiges Regelsystem ist in WO-A-2017/046026 beschrieben. Aus Kosten- und Ressourcengründen (Rechenzeit, Interrupts) kommt eine Regelschleife jedoch unter Umständen nicht in Betracht.

Aus US-B-8 657 587 ist eine Infusionspumpe bekannt, bei der ein die Pumpwirkung verursachender Zugankermagnet hinsichtlich seines Luftspalts überwacht wird.

In US-A-2018/0090253 ist eine Bedieneinheit beschrieben, bei der ein Zugankermagnet verwendet wird, dessen Luftspaltbreite zur Regelung der vom Bediener auf ein Bedienelement ausgeübten Andrückkraft kompensiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Zugankermagneten zur Erzeugung einer definierten, vom Zugankermagneten aufzubringenden Kraft anzugeben, die bzw. das sensorlos und ohne Regelschleife arbeitet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Bedieneinheit mit einem zuvor angegebenen Verfahren bzw. einer zuvor angegebenen Vorrichtung zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines im Ruhestand eine potentiell veränderte Luftspaltbreite aufweisenden Zugankermagneten zur Erzeugung einer vorgegebenen, vom Zugankermagnet ausgeübten Kraft zur Verwendung in einer Fahrzeug-Bedieneinheit mit haptischem Feedback, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit

einer DC-Spannungsquelle zur Versorgung einer Erregerspule eines Zugankermagneten,

mindestens einem parallel zur DC-Spannungsquelle geschalteten Pufferkondensator mit bekannter Kapazität,

einem ersten Schalter, der zwischen der DC-Spannungsquelle und dem Pufferkondensator angeordnet ist,

wobei die Erregerspule des Zugankermagneten und ein mit dieser in Reihe liegender zweiter Schalter parallel zum Pufferkondensator geschaltet sind, und

einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des ersten Schalters sowie des zweiten Schalters und zur Auswertung einer über der Erregerspule abfallenden Messspannung,

wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit bei aufgeladenem Pufferkondensator den ersten Schalter öffnet sowie den zweiten Schalter schließt und anhand der Messspannung die Frequenz des die Kapazität des Pufferkondensators und die Induktivität des Zugankermagneten aufweisenden Schwingkreises ermittelt,

wobei mittels der Ansteuer- und Auswerteeinheit anhand der ermittelten Frequenz die Induktivität des Zugankermagneten ermittelbar ist, wobei mittels der Ansteuer- und Auswerteeinheit anhand der ermittelten Induktivität des Zugankermagneten die Luftspaltbreite des Zugankermagneten ermittelbar ist und

wobei anhand einer Lookup-Tabelle oder einer mathematischen Modellierung des elektromagnetischen Verhaltens des Zugankermagneten von der Ansteuer- und Auswerteeinheit an den zweiten Schalter dasjenige PWM-Ansteuersignal an den zweiten Schalter anlegbar ist, bei dem der Zugankermagnet unter Berücksichtigung der ermittelten Luftspaltbreite zur Erzeugung einer von dem Zugankermagnet aufzubringenden vordefinierten Kraft betreibbar ist.

Ferner wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines im Ruhezustand eine potentiell veränderte Luftspaltbreite aufweisenden Zugankermagneten zur Erzeugung einer vorgegebenen, vom Zugankermagnet ausgeübten Kraft zur Verwendung in einer Fahrzeug-Bedieneinheit mit haptischem Feedback, vorgeschlagen, mit den folgenden Schritten :

Bereitstellen einer Lookup-Tabelle oder einer mathematischen Modellierung des elektromagnetischen Verhaltens des Zugankermagneten, wobei sich anhand der Lookup-Tabelle oder der mathematischen Modellierung ergibt, welches hinsichtlich Pulsbreite und/oder Dauer definierte PWM- Signal an eine Erregerspule des Zugankermagneten bei verschiedenen angenommenen Luftspaltbreiten zur Erzeugung einer vorgebbaren, vom Zugankermagnet aufzubringenden Kraft anzulegen ist, und

Ermittlung der Luftspaltbreite des Zugankermagneten durch

Betreiben des Zugankermagneten mit parallel zur Erregerspule geschaltete Pufferkapazität als Schwingkreis,

Ermitteln der Schwingkreisfrequenz aus dem Spannungsabfall über der Spule bei bekannter Pufferkapazität,

Ermitteln der Induktivität der Erregerspule anhand der Schwingkreisfrequenz und der bekannten Pufferkapazität, und

Ermitteln der aktuellen Luftspaltbreite anhand der Anzahl der Wicklungen der Erregerspule und der Querschnittsfläche des Luftspalts des Zugankermagneten, und

Ansteuerung der Erregerspule mit demjenigen PWM-Signal, das sich anhand der Lookup-Tabelle oder der mathematischen Modellierung bei Vorgabe der auszuübenden Kraft und der ermittelten Luftspaltbreite ergibt.

Schließlich dient zur Lösung der Aufgabe auch die Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung oder des zuvor genannten Verfahrens für die Erzeugung eines haptischen Feedback bei einer Fahrzeug-Bedieneinheit.

Letztendlich wird zur Lösung der Aufgabe eine Fahrzeug-Bedieneinheit mit haptischem Feedback vorgeschlagen, die versehen ist mit

einem Bedienelement, das manuell bedienbar ist, und

einer Vorrichtung gemäß oben genannter Art,

wobei der Zugankermagnet der Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Feedback auf das Bedienelement mechanisch einwirkt und dieses impulsartig anregt.

Wesensmerkmal der Erfindung ist es, die Induktivität des Zugankermagneten indirekt anhand der Messspannung zu ermitteln, die über der Erregerspule des Zugankermagneten abfällt, wenn der Zugankermagnet mit einer Pufferkapazität (Pufferkondensator) als Schwingkreis betrieben wird. Aus der Messspan- nung kann die Frequenz des Schwingkreises ermittelt werden. Bei bekannter Pufferkapazität kann nun die Induktivität des Zugankermagneten bestimmt werden. Aus der bekannten Abhängigkeit der Induktivität von der Anzahl der Wicklungen der Erregerspule, der Größe der Querschnittsfläche des Luftspalts, der Breite des Luftspalts und der Permeabilität der Luft kann dann bei bekannter Induktivität die Luftspaltbreite errechnet werden. Mittels einer Lookup-Tabelle oder einer mathematischen Modellierung des elektromagnetischen Verhaltens des Zugankermagneten kann dann wiederum dasjenige Ansteuersignal nach Größe und Dauer ermittelt bzw. abgelesen werden, mit dem die Erregerspule anzusteuern ist, damit der Zugankermagnet eine gewünschte Kraft ausübt.

Die physikalisch-mathematischen Grundlagen und Gegebenheiten, auf denen die Erfindung letztendlich beruht, sind dabei wie folgt.

Die Induktivität eines ausreichend dimensionierten Zugankermagneten mit einem Luftspalt gehorcht in guter Näherung der Formel

, N2Am0

h

Dabei ist N die Anzahl der Wicklungen der Spule, A die Querschnittsfläche des Luftspalts, h seine Länge und m0 die Permeabilität der Luft. Während alle übrigen Parameter relativ genau feststehen und nur unwesentlich schwanken, unterliegt die Länge des Luftspalts h größeren Toleranzen und äußeren Einflüssen.

Naheliegend wäre es nun, die Länge des Luftspalts mittels geeigneter Sensorik zu messen und ihren Einfluss auf die Induktivität durch Regelung zu kompensieren. Alternativ gibt es Konzepte, bei denen mit Hilfe einer zusätzlichen Messspule der magnetische Fluss im Kern des Magneten gemessen und basierend darauf geregelt wird (siehe z.B. WO 2017/046026 Al).

Zur Reduzierung des Hardware-Aufwands wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Induktivität der Anordnung indirekt zu messen und daraus gemäß obiger Formel Rückschlüsse auf die Luftspaltbreite zu ziehen. Dies sollte nicht im Kontext einer Regelung erfolgen, sondern zu einigen wenigen, aus Endan-wendersicht geeignet gewählten Zeitpunkten, wie z.B., nachdem eine nennenswerte Temperaturänderung eingetreten ist, aufgrund derer sich vermuten lässt, dass sich der Luftspalt geändert hat. Zudem sollte in jedem Fall eine Initialmessung beim Start des Geräts durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß ist die Messung so realisiert, dass die Spule des Zugankermagneten über einen Schalter mit einer ohnehin vorhandenen, geladenen Pufferkapazität C verbunden wird. Gleichzeitig werden die Pufferkondensatoren von der Spannungsquelle getrennt. Gegebenenfalls müssen noch Maßnahmen (z.B. zuschaltbare Widerstände) ergriffen werden, damit der Strom nicht so hoch wird, dass eine signifikante Luftspaltänderung eintritt. So entsteht ein elektrischer (RLC-)Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz / sich zu


ergibt.

Über einen vorzugsweise hochohmigen A/D Wandler kann die Spannung des Schwingkreises gemessen und hinsichtlich ihrer Frequenz softwareseitig ausgewertet werden. Um die erforderliche Samplerate und Rechenleistung des Microcontrollers der Ansteuer- und Auswerteeinheit beschränkt zu halten, bietet es sich an, die Kapazität C so zu wählen, dass die Frequenz gemäß der angegebenen Formel niedrig ist. Aus dieser Messung folgt dann mit bekannter Kapazität und der gemessenen Frequenz für die Induktivität


und schließlich für die Luftspaltbreite


Anhand der so ermittelten Luftspaltbreite können aus mathematischen Modellen oder Lookup-Tabellen die passenden elektrischen Ansteuerungssignale ermittelt werden, um ein definiertes Kraftprofil ohne Regelung zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der eine Prinzip-Schaltskizze dargestellt ist, näher erläutert.

Die Schaltung 10 zur Ansteuerung eines Zugankermagneten 12 weist eine DC-Spannungsquelle 14 zur Speisung der Erregerspule 16 des Zugankermagneten auf. Parallel zur DC-Spannungsquelle 14 ist ein Pufferkondensator 18 geschal-tet. Über der Erregerspule 16 fällt die Messspannung 20 ab, die von einer Auswerte- und Ansteuereinheit 22 ausgewertet wird. Bei der Auswerte- und Ansteuereinheit 22 handelt es sich um eine Vorrichtung mit beispielsweise einem Microcontroller, einem A/D-Wandler und weiteren für die digitale Signalverarbeitung erforderlichen Komponenten, was grundsätzlich bekannt ist.

Mit h ist die Luftspaltbreite zwischen dem Joch 24 und dem Zuganker 26 des Zugankermagneten 12 bezeichnet. Der Zuganker 26 ist mechanisch gekoppelt mit einem Bedienelement einer beispielsweise Fahrzeug-Bedieneinheit. Das Bedienelement weist eine beispielsweise berührungsempfindliche Bedienober-fläche auf. Bei valider Betätigung des Bedienelements wird dieses mechanisch angeregt, um eine taktile Rückmeldung zu gegen. Hierzu wird ein insbesondere Halbleiter-Schalter 28 mit einem von der Auswerte- und Ansteuereinheit 22 erzeugten Ansteuersignal für eine bestimmte Zeitdauer geschlossen.

Um nun auch bei beispielsweise temperaturbedingter Änderung der Luftspaltbreite h die Erregerspule 16 durch Schließen des Schalters 28 mit der für die gewünschte Krafterzeugung erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen, bedarf es von Zeit zu Zeit der Ermittlung der Luftspaltbreite h. Hierzu wird der Schalter 28 geöffnet und ein weiterer Schalter, insbesondere ein Halbleiter-Schalter 30 geschlossen, der zuvor geöffnet war. Bei geschlossenem Schalter 30 wird die Messspannung 20 ausgewertet, um die Frequenz des Schwingkreises aus der Pufferkapazität C und der Induktivität L des Zugankermagneten 12 zu bestimmten. Bei bekannter Pufferkapazität C kann damit die Induktivität L des Zugankermagneten 12 ermittelt werden und daraus wiederum bei bekannter Wicklungsanzahl der Erregerspule 16 und bekannter Querschnittsfläche A des Luftspalts die Luftspaltbreite h berechnet werden. In einer beispielsweise Lookup-Tabelle oder durch Modellierung des Zugankermagneten 12 kann dann die Pulsdauer ermittelt werden, für die der Schalter 28 geschlossen werden muss, um bei der aktuell ermittelten Luftspaltbreite h die erforderliche bzw. gewünschte Kraft durch den Zugankermagneten 12 zu erzeugen.

Der wesentliche Vorteil der Schaltung 10 bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass ohne Regelschleife und sensorlos der Zugankermagnet angesteuert werden kann, um die gewünschte Kraft aufzubringen. Damit bedarf es im Gegensatz zu bekannten Zugankermagnet-Ansteuerung von insbesondere Bedienelementen mit haptischem Feedback für Fahrzeug keiner teuren und rechenintensiven Echtzeit-Regelschleife, indem die Steuerung des Zugankermagneten basierend auf der indirekten Vermessung der Luftspaltbreite erfolgt.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 32 ein Bedienelement einer Fahrzeug-Bedieneinheit 34 angedeutet, das von dem Zugankermagnet 12 impulsartig mechanisch angeregt wird, um ein haptisches Feedback zu erzeugen. Bei dem Bedienelement 32 kann es sich um einen Touchscreen oder ein Touchpad handeln. Bei Erkennung einer validen Bedienung des Bedienelements 32 wird der Zugankermagnet 12 angesteuert, um dem Bediener taktil die valide Bedienung zu signalisieren.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Schaltung

12 Zugankermagnet

14 DC-Spannungsquelle

16 Erregerspule

18 Pufferkondensator

20 Messspannung

22 Auswerte- und Ansteuereinheit

24 Joch

26 Zuganker

28 Halbleiter-Schalter

30 Halbleiter-Schalter

32 Bedienelement

34 Bedieneinheit

A Querschnittsfläche

C Pufferkapazität

L Induktivität

h Luftspaltbreite