AT527896A1 - Emulationsvorrichtung zur Durchführung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emulationsvorrichtung (10) zur Durch- führung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator, aufweisend einen Emulationseingang (12) zur Aufnahme eines Kontrollsignals (KS) und einen Emulationsausgang (14) zur Ausgabe eines emulierten Positi- onssignals (PS), gekennzeichnet durch einen variierbaren elektrischen Pri- märwiderstand (22), einen variierbaren elektrischen Sekundärwiderstand (24), einen variierbaren elektrischen Primärkondensator (32), einen variierbaren elektrischen Sekundärkondensator (34) und einen elektrischen Operationsver- stärker (40), wobei ausgehend vom Emulationseingang (12) der Primärwider- stand (22) und der Sekundärwiderstand (24) elektrisch in Reihe über einen Widerstands-Verbindungsabschnitt (20) miteinander verbunden sind, wobei weiter der Operationsverstärker (40) über einen ersten Operationseingang (42) als positiver Operationseingang mit dem Sekundärwiderstand (24) und über einen zweiten Operationseingang (44) als negativer Operationseingang mit einem Operationsausgang (46) des Operationsverstärkers (40) verbunden ist, wobei weiter der Operationsausgang (46) über den Primärkondensator (32) mit dem Widerstands-Verbindungsabschnitt (20) und der erste Operati- onseingang (42) über den Sekundärkondensator (34) mit einem Erdungsan- schluss (50) verbunden ist, wobei weiter der Operationsausgang (46) mit dem Emulationsausgang (14) verbunden ist.

Description

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Emulationsvorrichtung zur Durchführung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emulationsvorrichtung für eine Durchführung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator, ein solches Emulationsverfahren durchgeführt mit einer solchen Emulationsvorrichtung sowie ein

Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Emulationsverfahrens.

Es ist bekannt, dass bei komplexen technischen Vorrichtungen häufig eine Vielzahl elektromechanischer Aktuatoren eingesetzt werden sollen. Dabei kann es sich häufig um kleine motorische Antriebe handeln, welche Stell- und Kontrollaufgaben ausführen sollen. Ein Beispiel für einen solchen elektromechanischen Aktuator kann eine Ventilvorrichtung, eine Drosselklappe oder Ähnliches sein. In der Auslegung der technischen Systeme werden solche elektromechanischen Aktuatoren hinsichtlich ihres Strombedarfs, ihrer Kontrollgenauigkeit, ihrer Größe und ähnlichen Parametern ausgelegt, um anschließend im technischen System eingesetzt zu werden. Für die Konstruktion komplexer technischer Systeme gibt es daher grundsätzlich die Möglichkeit für einen Prototypen des Systems auch Prototypen entsprechender elektromechanischer Aktuatoren zur Verfügung zu stellen. Um den hohen konstruktiven Fertigungsaufwand einer Vielzahl unterschiedlicher Prototypen für die elektromechanischen Aktuatoren zu reduzieren, ist es auch bekannt, Softwaresimulationen einzusetzen, um das entsprechende technische System mit unterschiedlichen elektromechanischen Aktuatoren zu beschreiben und rein digital zu optimieren.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist zum einen der Aufwand hinsichtlich Kosten, Aufwand und Fertigung beim Einsatz von Prototypen für die elektromechanischen Aktuatoren. Eine rein digitale Simulation anstelle des Prototypenbaus ist nicht möglich, dass in einem solchen Fall eine Last benötigt würde, um keinen „open cir-

cuit error“ zu erzeugen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Aktuatorentwicklung zu verbessern und insbesondere das Prüfen von Design Konzepten unter realen

Kontrollbedingungen zu vereinfachen, ohne Prototypen herstellen zu müssen.

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2 Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Emulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Emulationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Emulationsverfahren sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden

kann.

Erfindungsgemäß dient eine Emulationsvorrichtung der Durchführung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator. Eine solche Emulationsvorrichtung weist einen Emulationseingang zur Aufnahme eines Kontrollsignals und einen Emulationsausgang zur Ausgabe eines emulierten Positionssignals auf. Eine erfindungsgemäße Emulationsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen varlierbaren elektrischen Primärwiderstand, einen variierbaren elektrischen Sekundärwiderstand, einen varlierbaren elektrischen Primärkondensator, einen variierbaren elektrischen Sekundärkondensator und einen elektrischen Operationsverstärker aufweist. Ausgehend vom Emulationseingang sind der Primärwiderstand und der Sekundärwiderstand elektrisch in Reihe über einen Widerstands-Verbindungsabschnitt miteinander verbunden. Dabei steht der Operationsverstärker über einen ersten Operationseingang als positiver Operationseingang mit dem Sekundärwiderstand und über einen zweiten Operationseingang als negativer Operationseingang mit einem Operationsausgang des Operationsverstärkers in elektrisch leitender Verbindung. Weiter ist der Operationsausgang elektrisch leitend über den Primärkondensator mit dem Widerstands-Verbindungsabschnitt verbunden. Darüber hinaus besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Operationsausgang über den Sekundärkondensator mit einem Erdungsanschluss. Weiter ist der Operationsausgang noch mit dem Emulationsausgang verbunden. Im Folgenden wird der positive Operationseingang des Operationsverstärkers als erster Operationseingang und der negative Operationseingang als zweiter Operationseingang bezeichnet.

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3 Weiter ist elektrisch seriell zwischen dem Operationsausgang und dem Emulationsausgang ein Skalierungsschaltkreis für ein elektrisches Skalieren des Positionssignals angeordnet, und weiter elektrisch seriell zwischen dem Operationsausgang und dem Emulationsausgang ein Invertierungsschaltkreis für ein elektrisches Invertieren

des Positionssignals angeordnet.

Eine erfindungsgemäße Emulationsvorrichtung stellt eine real vorhandene elektrische Schaltung dar. Sie kann auch als ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung (auch Sallen-Key-Tiefpassfilter) beschrieben werden, welcher hier die beiden Widerstände, die beiden Kondensatoren sowie den Operationsverstärker aufweist. Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung eines solchen Tiefpassfilters zweiter Ordnung hinsichtlich der Signalverarbeitung einen ähnlichen oder sogar identischen Zusammenhang aufweist, wie dies zwischen dem Kontrollsignal für einen elektromechanischen Aktuator und dem Positionssignal eines entsprechenden Positionssensors eines solchen Aktuators besteht. Mit anderen Worten bildet die elektrische Schaltung der Emulationsvorrichtung diese Korrelation eines elektromechanischen Aktuators nach. Ein Kontrollsignal, welches insbesondere ein PWM Spannungssignal sein kann, wird üblicherweise von einem Kontrollmodul, beispielsweise einer ECU in einem Auto, an einen elektromechanischen Aktuator weitergegeben, um eine entsprechende Aktuationsbewegung durchzuführen. Bei einem Aktuator in Form einer Ventilvorrichtung führt also ein Kontrollsignal zu einer veränderten Ventilstellung des elektromechanischen Aktuators. Diese veränderte Ventilstellung kann von einem entsprechenden Positionssensor dieses Ventils erkannt werden und ebenfalls vorzugsweise in Form eines Spannungssignals als Positionssignal an das Kontrollmodul zurückgemeldet

werden.

Erfindungsgemäß ist es nun möglich, diesen realen Zusammenhang zwischen einem Kontrollsignal für den elektromechanischen Aktuator und den sich auf Basis dieses Kontrollsignals ergebenden realen Positionssignals des elektromechanischen Aktuators durch eine elektrische Schaltung zu emulieren. Dabei ist hervorzuheben, dass es sich hier nicht um eine digitale Softwaresimulation handelt, sondern vielmehr um einen tatsächlichen elektrischen Schaltungszusammenhang, welcher durch den Tiefpassfilter zweiter Ordnung in Form der erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung als reale Vorrichtung nachgebildet ist. Dieser Zusammenhang ist durch die beschrie-

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4 bene Verschaltung der beiden Widerstände, der beiden Kondensatoren sowie des elektrischen Operationsverstärkers durch diese Schaltungszusammenstellung automatisch gegeben. Selbstverständlich können, wie dies später noch näher erläutert wird, zusätzliche elektrische Bauteile dieser Schaltung der Emulationsvorrichtung hinzugefügt werden, um den Zusammenhang zu verbessern und/oder mögliche Nachbearbeitungen des ausgegebenen, emulierten Positionssignals zu reduzieren oder sogar gänzlich unnötig zu machen.

Es ist nun also erfindungsgemäß möglich mit einer Emulationsvorrichtung durch die real vorhandene elektrische Schaltung den elektromechanischen Aktuator zu erset-

zen und hinsichtlich der Kontrolle eines solchen Aktuators über die Kotrollvorgaben

ein Positionssignal zu emulieren, welches einem realen Positionssignal eines realen elektromechanischen Aktuators auf Basis eines aufgenommenen realen Kontrollsignals entspricht.

Durch die Emulationsmöglichkeit ergeben sich mit einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung nun eine Vielzahl von Vorteilen in der Auslegung und Konstruktion von technischen Systemen sowie der elektromechanischen Aktuatoren selbst. So ist es insbesondere möglich, unterschiedliche elektromechanische Aktuatoren in einem technischen System einfach und kostengünstig real durch die Emulationsvorrichtung zu ersetzen und damit auch ohne aufwendigen Prototypenbau solcher Aktuatoren den Kontrollzusammenhang in einem technischen System in Form einer Emulation nachzubilden. Durch die Anpassung der variablen Komponenten kann eine Änderung der Charakteristik eines elektromechanischen Aktuators erfolgen.

Dadurch, dass nun die Widerstände und die Kondensatoren variierbar ausgebildet sind, können auch unterschiedliche elektromechanische Aktuatoren durch die Emulationsvorrichtung emuliert werden. Dabei ist in einem ersten Schritt noch unerheblich, ob die Variierbarkeit der Widerstände und der Kondensatoren durch eine Austauschmöglichkeit, eine Schaltmöglichkeit einzelner Teilwiderstände oder Teilkondensatoren oder komplexere, insbesondere kontinuierlich variierbarer Widerstände und Kondensatoren, ausgebildet ist. Wie später noch erläutert wird, kann diese Variation im Rahmen eines Emulationsverfahrens sogar hinsichtlich einer automatisierten oder teilautomatisierten Optimierung in der Auslegung der elektromechanischen Ak-

tuatoren verwendet werden.

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5 Im erfindungsgemäßen Fall wird also die Emulationsvorrichtung in eine Kontrollvorrichtung für ein technisches System eingebunden, kann aus dieser Kontrollvorrichtung Kontrollsignale empfangen und bildet durch Emulation die Reaktion eines entsprechenden Positionssensors eines Aktuators nach, indem durch die elektrische Schaltung aus dem Kontrollsignal ein damit korrelierendes Positionssignal emuliert und ausgegeben wird. Aus Sicht eines Kontrollmoduls ersetzt die Emulationsvorrichtung damit den Prototypen des Aktuators und kann vom Kontrollmodul nicht von ei-

nem realen Aktuator unterschieden werden.

Die Kontrollsignale sind dabei insbesondere PWM-Spannungssignale, welche sich an dem tatsächlichen Einsatzzweck, beispielsweise an Batteriespannungen im Bereich von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt orientieren. Das Ausgangssignal, welches das Positionssignal darstellt, kann sich beispielsweise im Bereich zwischen 0 bis 0,5 und 4,5 bis 5 Volt bewegen und entsprechend proportional einen Positionssensor des Ak-

tuators emulieren.

Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass die elektrische Schaltung durch die beschriebenen Schaltzusammenhänge nicht nur grundsätzlich die Korrelation zwischen Kontrollsignal und Positionssignal wiedergibt, sondern auch das tatsächliche Signalverhalten, zumindest näherungsweise, hinsichtlich Dynamik, Signaldämpfung und ähnlichen Zusammenhängen in dieser elektrischen Spaltung wiedergibt.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung der Primärwiderstand, der Sekundärwiderstand, der Primärkondensator und/oder der Sekundärkondensator jeweils einen Variationsanschluss aufweisen für eine direkt kontrollierte Variation eines elektrischen Parameters. Ein elektrischer Parameter ist dabei hinsichtlich der Widerstände der jeweilige elektrische Widerstandswert. Bei der direkt kontrollierten Variation der Kondensatoren handelt es sich beim varlierten elektrischen Parameter insbesondere um die elektrische Kapazität des jeweiligen Kondensators. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine softwarebasierte Variation, sodass zum Beispiel mit Schaltelementen oder ähnlichen elektrischen Bauteilen die jeweiligen elektrischen Parameter innerhalb der Emulationsvorrichtung, vorzugsweise automatisiert, variierbar sind. Beispielsweise ist es möglich, Variationssignale in Form von Variationsspannungen an dem jeweiligen Variationsanschluss anzulegen und zu verändern, um gezielt den jeweiligen elektrischen Parame-

terwert des jeweiligen Widerstandes und/oder des jeweiligen Kondensators zu varlie-

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6 ren. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass durch die Emulationsvorrichtung damit nicht nur der grundsätzliche emulierte Zusammenhang zwischen Kontrollsignal und Positionssignal zur Verfügung gestellt wird, sondern durch eine auch als Hardwarein-the-Loop-Verfahren bezeichnete Lösung sogar eine mehrfache Variation mit zielgenauer Optimierung erreichbar sein kann.

Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung der Emulationseingang mit einer Spannungsquelle und einem Kontrollmodul zur Vorgabe des Kontrollsignals, insbesondere mittels Pulsweitenmodulation, verbunden ist. Ein solches Kontrollmodul, wie auch die Spannungsquelle, können dabei einen Teil der Emulationsvorrichtung darstellen. Das Kontrollmodul kann dabei das Kontrollsignal, insbesondere zwischen 0 Volt und einer entsprechenden Batteriespannung, beispielsweise 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt, modulieren. Die Verwendung einer Pulsweitenmodulation orientiert sich dabei insbesondere an üblichen Einsatzmodulationen, beispielsweise im Automotive-Bereich. Das Kontrollmodul ist also in der Lage, für den späteren tatsächlichen Einsatz des elektromechanischen Aktuators die notwendigen Kontrollsignale für eine erfindungsgemäße Emulationsvorrichtung nachzubilden, zu erzeugen und am Emulationseingang für die Durchführung eines Emulationsverfahrens zur Verfügung zu stellen.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung elektrisch seriell zwischen dem Operationsausgang und dem Emulationsausgang ein Skalierungsschaltkreis für ein elektrisches Skalieren des Positionssignals angeordnet ist. Mit anderen Worten wird es hier möglich, das Positionssignal aus diesem Tiefpassfilter zweiter Ordnung nochmals skalierend nachzubehandeln und hinsichtlich der tatsächlich gewünschten Zusammenhänge zu verbessern. Während ein solches Skalieren grundsätzlich auch in eine Auswertung der erhaltenen, emulierten Positionssignale integrierbar ist, kann eine Integration als Skalierungsschaltkreis physisch in die Emulationsvorrichtung die Auswertung weiter erleichtern und insbesondere eine Nachbearbeitung des erhaltenen und ausgegebenen Positi-

onssignals unnötig machen.

Zusätzlich oder alternativ kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung elektrisch seriell zwischen dem Operationsausgang und dem Emulationsausgang ein Invertierungsschaltkreis für ein elektrisches Invertieren

des Positionssignals angeordnet ist. Bei der reinen Ausgestaltung als Tiefpassfilter

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7 zweiter Ordnung wird das Positionssignal im Vergleich zu der Umsetzung eines Kontrollsignals an einem realen elektromechanischen Aktuator in elektrisch invertierter Weise generiert. Dieses Invertieren kann rückgängig gemacht werden, indem ein Invertierungsschaltkreis ein elektrisches Invertieren dieses Positionssignals durchführt und dieses in invertierter Weise am Emulationsausgang zur Verfügung stellt. Ohne einen solchen Invertierungsschaltkreis würde eine solche Invertierungsaufgabe in den Auswertungsschritt eines Emulationsverfahrens integriert werden und entsprechend grundsätzlich die Emulationsmöglichkeit mit leicht erhöhter Komplexität in der Auswertung der Positionssignale weiterhin zur Verfügung stellen.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung der Emulationsausgang eine Schaltvorrichtung aufweist mit einem Schalter, welcher zwischen einem normalen Betrieb, einem Spannungskurzschluss zu einem Spannungskurzschluss-Anschluss und/oder einem Erdungskurzschluss zu einem Erdungskurzschluss-Anschluss schaltbar ist. Neben der grundsätzlichen Funktionsweise im Normalbetrieb ist eine solche Emulationsvorrichtung auch in der Lage, Fehlerfälle nachzubilden. Beispielsweise können die Fehlerfälle eines Kurzschlusses zu einem Erdungsanschluss wie auch zu einem Spannungsanschluss nachgebildet sein. Hier ist ein aktives und gezieltes Schalten möglich, sodass zum Beispiel in dem später noch erläuterten Emulationsverfahren nun zusätzlich auch eine Optimierung oder zumindest eine Auswertung hinsichtlich solcher Fehlerfälle vorzugsweise in automatisierter Weise möglich ist. Um eine Automatisierung dieses Schaltens zur Verfügung zu stellen, ist vorzugsweise eine Ausgestaltung mittels einer Transistorschaltung zur Verfügung gestellt, sodass in kontrollierter Weise ein Schalten zwischen Normalbetrieb und einer oder sogar unterschiedlichen Kurzschlusssituationen ermöglicht ist.

Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung ein Kontrollmodul vorgesehen ist für eine Erzeugung des Kontrollsignals und/oder eine direkt kontrollierte Variation eines elektrischen Parameters des Primärwiderstandes, des Sekundärwiderstandes, des Primärkondensators, des Sekundärkondensators, des Skalierungsschaltkreises und/oder des Invertierungsschaltkreises. Ein solches Kontrollmodul dient also einer in der Emulationsvorrichtung integrierten Kontrolle und Variation, sodass die Emulationsvorrichtung im Wesentlichen automatisiert oder teilautomatisiert nicht nur das Emulationsverfahren,

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8 sondern sogar mit Emulationsschleifen, insbesondere mit Optimierungsfunktionalität,

automatisiert durchführen kann.

Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung der Operationsverstärker wenigstens teilweise als Verstärkermodul ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist hier eine Ausgestaltung als Verstärkerchip, beispielsweise auf einem PCB-Board mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen, denkbar. Dies reduziert die Komplexität, die Kosten und den Aufwand zur Ausgestal-

tung einer solchen Emulationsvorrichtung noch weiter.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Emulationsverfahren für ein Emulieren eines elektromechanischen Aktuators mittels einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung. Ein solches Emulationsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Erzeugen eines Kontrollsignals zur Kontrolle eines elektromechanischen Aktuators,

- Übergeben des erzeugten Kontrollsignals an den Emulationseingang der

Emulationsvorrichtung,

- Erfassen des mit dem übergebenen Kontrollsignal am Emulationsausgang der Emulationsvorrichtung ausgegebenen, emulierten Positionssignals.

Durch das Übergeben des erzeugten Kontrollsignals wird mittels der Emulationsvorrichtung das emulierte Positionssignal an dem Emulationsausgang zur Verfügung gestellt, um dort erfasst zu werden. Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung bringt ein erfindungsgemäßes Emulationsverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße

Emulationsvorrichtung erläutert worden sind.

Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung dem erfassten Positionssignal eine Stellposition des emulierten elektromechanischen Aktuators zugewiesen wird. Darunter ist zu verstehen, dass automatisch eine Interpretation dieses Positionssignals mit der tatsächlichen Funktion des Aktuators ausgegeben und zumindest für eine später noch erläuterte Emulationsschleife berücksichtigt wird.

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9 Auch von Vorteil ist, wenn bei einem erfindungsgemäßen Emulationsverfahren dieses Emulationsverfahren für mehrere, unterschiedliche Kontrollsignale durchgeführt wird. So ist es möglich, zum Beispiel im Rahmen eines Design of Experiments (DoE) unterschiedliche Betriebssituationen zu simulieren beziehungswiese zu emulieren und entsprechend anschließend eine Bewertung über diese unterschiedlichen Betriebssituationen für den emulierten genau einen Aktuator zur Verfügung zu stellen. Dies erlaubt es, eine Bewertung insbesondere in Form einer Validierung für genau eine fest eingestellte Kombination der Widerstandswerte und der Kondensatorwerte zur Verfügung zu stellen.

Zusätzlich oder alternativ ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Emulationsverfahren dieses Emulationsverfahren für unterschiedliche Variationswerte des Primärwiderstandes, des Sekundärwiderstandes, des Primärkondensators und/oder des Sekundärkondensators, insbesondere in Form mehrerer Emulationsschleifen, mehrfach durchgeführt wird. Dadurch wird es möglich auch unterschiedliche Aktuatoren zu emulieren, insbesondere in Kombination mit dem voranstehenden Absatz für mehrere unterschiedliche Betriebssituationen. Dies erlaubt es also, unterschiedliche Aktuatoren für unterschiedliche Betriebssituationen oder sogar Betriebsbereiche zu vergleichen und anschließend weiter einer automatisierten Be-

wertung zuzuführen.

So kann es vorteilhaft sein, bei der Einführung von mehreren Emulationsschleifen diese als Optimierungsschleifen durchzuführen, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Optimierungskriteriums. So kann eine automatisierte und in das Emulationsverfahren integrierte Optimierung durchgeführt werden, sodass eine Bewertung der unterschiedlichen Variationswerte für die Widerstände und die Kondensatoren einer Bewertung der entsprechend emulierten elektromechanischen Aktuatoren entspricht. Als Optimierungskriterium kommt dabei zum Beispiel die Kontrollgenauigkeit, die Kontrolldämpfung, die Kontrollgeschwindigkeit oder Ähnliches zum Einsatz.

Weitere Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Emulationsverfahren wenigstens einer der folgenden Schritte umfasst ist:

- Auslegen eines elektromechanischen Aktuators mit dem erfassten emulierten Positionssignal, und

- Herstellen des ausgelegten elektromechanischen Aktuators.

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10 Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Emulationsverfahrens auszuführen. Auch ein solches Computerprogrammprodukt bringt dementsprechend die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemä-

Bßes Emulationsverfahren erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung,

Fig. 2 eine Signalkorrelation zwischen Kontrollsignal und Positionssignal,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung, und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emula-

tionsvorrichtung

In der Figur 1 ist schematisch eine Emulationsvorrichtung 10 dargestellt, welche einen elektrischen Schaltzusammenhang einzelner Bauteile aufweist. Über einen Emulationseingang 12 ist in Form eines Spannungssignals, zum Beispiel zwischen 0 und 12 oder 12 und 24 Volt, ein Kontrollsignal KS am Emulationseingang 12 anlegbar. Aus diesem Kontrollsignal KS soll durch die elektrische Schaltung der Emulationsvorrichtung 10 ein Positionssignals PS, zum Beispiel zwischen Spannungswerten zwischen 0 und 5 Volt, generiert und am Emulationsausgang 14 ausgegeben werden. Zwischen dem Emulationseingang 12 und dem Emulationsausgang 14 befindet sich

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11 die elektrische Schaltung, welche hier ausgehend vom Emulationseingang 12 seriell hintereinander einen Primärwiderstand 22 und einen Sekundärwiderstand 24 aufweist. Nachfolgend des Sekundärwiderstandes 24 ist eine Anbindung an einen ersten Operationseingang 42 eines Operationsverstärkers 40 vorgesehen, welcher über einen Operationsausgang 46 wieder mit dem Emulationsausgang 14 in elektrisch leitender Verbindung steht. Nicht in der Figur 1 dargestellt sind der Skalierungsschaltkreis 60 und der Invertierungsschaltkreis 70, welche insbesondere zum Beispiel in der Figur 4 dargestellt sind.

Gemäß der Figur 1 sind nun unterschiedliche Rückkopplungen vorgesehen. Zum einen bestehen eine Rückkopplung vom Operationsausgang 46 zwischen dem Primärwiderstand 22 und dem Sekundärwiderstand 24 in elektrisch leitender Verbindung zum Widerstands-Verbindungsabschnitt 20. In diesen elektrischen Rückschluss ist der Primärkondensator 32 eingebunden. In ähnlicher Weise ist ein elektrischer Rückschluss ausgehend vom Operationsausgang 46 direkt zum zweiten Operationseingang 44 vorgesehen. Der Sekundärkondensator 34 ist zwischen dem ersten Operationseingang 42 und dem Ausgang des Sekundärwiderstandes 34 über eine Zuladung an einem Erdungsanschluss 50 geerdet.

Ausgehend von der vorangehend beschriebenen elektrischen Schaltung, wie die Figur 1 zeigt, können nun automatisch die entsprechenden Signalzusammenhänge zwischen Kontrollsignal KS und Positionssignal PS eines elektromechanischen Aktuators signalisierungstechnisch emuliert werden. Durch die reale Schaltung erfolgt eine Umsetzung des Kontrollsignals KS, beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 12 Volt, in ein entsprechendes Positionssignal PS, zum Beispiel zwischen 0 und 5 Volt.

Die Figur 2 zeigt, wie ein tatsächlicher Signalverlauf bei der Durchführung eines Emulationsverfahren an einer Emulationsvorrichtung 10 aussehen kann. Über Pulsweitenmodulation ist hier ein Kontrollsignal KS, zum Beispiel zwischen 0 und 12 Volt, emuliert. Das entsprechende Positionssignal PS wird zwischen 0 und 5 Volt schwanken und stellt sich entsprechend mit kleinerer Amplitude dar. Dieser Zusammenhang sieht dabei identisch aus für den realen elektromechanischen Aktuator mit einem Kontrollsignal KS und einem Positionssensor, wie auch an den entsprechenden Einund Ausgängen der erfindungsgemäßen Emulationsvorrichtung 10.

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12 Die Figur 3 bildet die Ausführungsform der Figur 1 weiter. So sind hier der Primärwiderstand 22, der Sekundärwiderstand 24, der Primärkondensator 32 und der Sekundärkondensator 34 alle mit Variationsanschlüssen 23, 25, 33 und 35 ausgestattet. Diese Variationsanschlüsse 23, 25, 33, 35 dienen dazu, ein Variationssignal hier von einem Kontrollmodul 90 zu erhalten. Mit Hilfe dieses Variationssignals kann der tatsächliche elektrische Variationsparameter des zugehörigen Bauteils verändert werden. Für die beiden Widerstände 22 und 24 ist dies eine Variation des tatsächlichen Widerstandswerts. Für die Kondensatoren 32 und 34 kann entsprechend durch ein Variationssignal ausgehend vom Kontrollmodul 90 die jeweilige Kapazität verändert werden. Durch die Veränderung der elektrischen Parameter und die entsprechende Variation der einzelnen Bauteile kann eine Emulation von unterschiedlichen elektromechanischen Aktuatoren durchgeführt werden. Dies geschieht insbesondere in automatisierter Weise, sodass ganze Testreihen als Emulationsschleifen, insbesondere in Form von Optimierungsschleifen, an einer solchen Emulationsvorrichtung 10 durchgeführt werden können. Bei der Ausführungsform der Figur 3 wird zusätzlich vom Kontrollmodul 90 auch das Kontrollsignal KS erzeugt und insbesondere in pulsweitenmodulierter Weise dem Emulationseingang 12 übergeben.

Die Figur 4 zeigt schematisch eine andere Weiterbildung einer Emulationsvorrichtung 10. Diese kann selbstverständlich mit der Ausführungsform der Figur 3 oder der Figur 1 kombiniert sein. Hier sind schematisch eine separate Spannungsquelle 100 und ein externes Kontrollmodul 200 vorgesehen. Auch ist hier vorgesehen, dass eine Nachbehandlung vor Ausgabe des Positionssignals PS stattfindet. Hier dient ein Skalierungsschaltkreis 60 dazu, das Positionssignal PS auf den gewünschten Wertebereich der Spannung zu skalieren und zusätzlich mit Hilfe eines Invertierungsschaltkreis 70 die elektrische Invertierung durchzuführen, sodass eine direkte Korrelation zwischen realem Positionssignal PS eines elektromechanischen Aktuators und emulierten Positionssignalen PS besteht.

In der Figur 5 ist ebenfalls eine Weiterbildung dargestellt, welche mit den Ausführungsformen der Figuren 1, 3 und 4 kombinierbar ist. Hier ist die Emulationsvorrichtung 10 mit einer Schaltvorrichtung 80 ausgestattet. Diese Schaltvorrichtung 80 weist einen Schalter 82 auf, welcher neben der hier dargestellten Normalbetriebssituation wenigstens eine, insbesondere zwei unterschiedliche Kurzschlusssituationen als

Fehlerfälle emulieren kann. Zum einen kann der Schalter 82 in die hier nach oben

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13 dargestellte Position bewegt werden und dort an einem SpannungskurzschlussAnschluss 84 einen Spannungskurzschluss emulieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein Erdungskurzschluss-Anschluss 86 vorgesehen sein, um einen entsprechenden Kurzschluss zu einem Erdungsanschluss 86 emulieren zu können. In beiden Fällen wird es also möglich tatsächlich das real und physisch am Emulationsausgang 14 ausgegebene Positionssignal PS durch den entsprechenden Fehlerfall zu verändern und nicht auf eine rein simulative Weise diese Fehler zu berücksichtigen.

Die Figur 6 zeigt eine Kombination der einzelnen voranstehend beschriebenen Varianten. Insbesondere ist hier auch die Rückführung des erzeugten Positionssignals PS in ein Kontrollmodul 90 gezeigt. Auch sind Details zu dem Skalierungsschaltkreis 60 und dem Invertierungsschaltkreis 70 zu erkennen. Insbesondere ist gezeigt, dass der Skalierungsschaltkreis 60 drei einstellbare Widerstände 62 aufweist und der Skalierungsschaltkreis 60 über die einstellbaren Widerstände 62 über das Kontrollmodul 90 skalierbar ist.

Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich

im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Emulationsvorrichtung

12 Emulationseingang

14 Emulationsausgang

20 Widerstands-Verbindungsabschnitt 22 Primärwiderstand

23 Variationsanschluss

24 Sekundärwiderstand

25 Variationsanschluss

32 Primärkondensator

33 Variationsanschluss

34 Sekundärkondensator

35 Variationsanschluss

40 Operationsverstärker

42 erster Operationseingang

44 zweiter Operationseingang

46 Operationsausgang

50 Erdungsanschluss

60 Skalierungsschaltkreis

70 Invertierungsschaltkreis

80 Schaltvorrichtung

82 Schalter

84 Spannungskurzschluss-Anschluss 86 Erdungskurzschluss-Anschluss 90 Kontrollmodul

100 Spannungsquelle 200 Kontrollmodul

KS Kontrollsignal PS Positionssignal

Claims (15)

Patentansprüche

1. Emulationsvorrichtung (10) zur Durchführung eines Emulationsverfahrens für einen elektromechanischen Aktuator, aufweisend einen Emulationseingang (12) zur Aufnahme eines Kontrollsignals (KS) und einen Emulationsausgang (14) zur Ausgabe eines emulierten Positionssignals (PS), gekennzeichnet durch einen variierbaren elektrischen Primärwiderstand (22), einen variierbaren elektrischen Sekundärwiderstand (24), einen variierbaren elektrischen Primärkondensator (32), einen variierbaren elektrischen Sekundärkondensator (34) und einen elektrischen Operationsverstärker (40), wobei ausgehend vom Emulationseingang (12) der Primärwiderstand (22) und der Sekundärwiderstand (24) elektrisch in Reihe über einen Widerstands-Verbindungsabschnitt (20) miteinander verbunden sind, wobei weiter der Operationsverstärker (40) über einen ersten Operationseingang (42) als positiver Operationseingang mit dem Sekundärwiderstand (24) und über einen zweiten Operationseingang (44) als negativer Operationseingang mit einem Operationsausgang (46) des Operationsverstärkers (40) verbunden ist, wobei weiter der Operationsausgang (46) über den Primärkondensator (32) mit dem WiderstandsVerbindungsabschnitt (20) und der erste Operationseingang (42) über den Sekundärkondensator (34) mit einem Erdungsanschluss (50) verbunden ist, wobei weiter der Operationsausgang (46) mit dem Emulationsausgang (14)

verbunden ist.

2. Emulationsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwiderstand (22), der Sekundärwiderstand (24), der Primärkondensator (32) und/oder der Sekundärkondensator (34) jeweils einen Variationsanschluss (23, 25, 33, 35) aufweisen für eine direkt kontrollierte Variation eines elektrischen Parameters.

3. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emulationseingang (12) mit einer Spannungsquelle (100) und einem Kontrollmodul (200) zur Vorgabe des Kontrollsignals (KS), insbesondere mittels Pulsweitenmodulation, verbunden ist.

4. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch seriell zwischen dem Operations-

(60) für ein elektrisches Skalieren des Positionssignals (PS) angeordnet ist.

5. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch seriell zwischen dem Operationsausgang (46) und dem Emulationsausgang (14) ein Invertierungsschaltkreis (70) für ein elektrisches Invertieren des Positionssignals (PS) angeordnet ist.

6. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emulationsausgang (14) eine Schaltvorrichtung (80) aufweist mit einem Schalter (82), welcher zwischen einem normalen Betrieb, einem Spannungskurzschluss zu einem Spannungskurzschluss-Anschluss (84) und/oder einem Erdungskurzschluss zu einem Erdungskurzschluss-Anschluss (86) schaltbar ist.

7. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrollmodul (90) vorgesehen ist für eine Erzeugung des Kontrollsignals (KS) und/oder eine direkt kontrollierte Variation eines elektrischen Parameters des Primärwiderstandes (22), des Sekundärwiderstandes (24), des Primärkondensators (32), des Sekundärkondensators (34), des Skalierungsschaltkreises (60) und/oder des Invertierungsschaltkreises (70).

8. Emulationsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (40) wenigstens teilweise als Verstärkermodul ausgebildet ist.

9. Emulationsverfahren für ein Emulieren eines elektromechanischen Aktuators mittels einer Emulationsvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

— Erzeugen eines Kontrollsignals (KS) zur Kontrolle des elektromechanischen Aktuators,

— Übergeben des erzeugten Kontrollsignals (KS) an den Emulationseingang (12) der Emulationsvorrichtung (10),

10. Emulationsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem erfassten Positionssignal (PS) eine Stellposition des emulierten elektromechanischen Aktuators zugewiesen wird.

11. Emulationsverfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Emulationsverfahren für mehrere, unterschiedliche Kontrollsignale (KS) durchgeführt wird.

12. Emulationsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Emulationsverfahren für unterschiedliche Variationswerte des Primärwiderstands (22), des Sekundärwiderstands (24), des Primärkondensators (32) und/oder des Sekundärkondensators (34), insbesondere in Form mehrerer Emulationsschleifen mehrfach durchgeführt wird.

13. Emulationsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulationsschleifen als Optimierungsschleifen ausgeführt werden, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Optimierungskriteriums.

14. Emulationsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend die Schritte

- Auslegen eines elektromechanischen Aktuators mit dem erfassten emulierten Positionssignal (PS), und

- Herstellen des ausgelegten elektromechanischen Aktuators.

15. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Emulationsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 9 bis 14 auszuführen.