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Dokumentenidentifikation DE69310770T2 27.11.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0677184
Titel POSITIONSABHANGIGE DAMPFUNG IN EINER AKTIVEN HANDSTEUERUNG
Anmelder Honeywell, Inc., Minneapolis, Minn., US
Erfinder GREGORY, William, W., St. Petersburg, FL 33701, US;
KAUFFMAN, James, W., Palm Harbor, FL 34683, US
Vertreter Herzbach, D., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 63067 Offenbach
DE-Aktenzeichen 69310770
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.10.1993
EP-Aktenzeichen 939251377
WO-Anmeldetag 29.10.1993
PCT-Aktenzeichen US9310459
WO-Veröffentlichungsnummer 9512153
WO-Veröffentlichungsdatum 04.05.1995
EP-Offenlegungsdatum 18.10.1995
EP date of grant 14.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse G05D 1/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein aktives Handsteuersystem und auf ein Verfahren zum Dämpfen von Oszillationen in einem solchen System gemäß dem Gattungsbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Diese Erfindung ist bezogen auf ein aktives Handsteuersystem der Art, bei welchem manuelle Steuer-Eingangseinrichtungen, wie beispielsweise Steuerknüppel, die in einem servogekoppelten Steuersystem verwendet werden, mit einem elektrisch erzeugten und gesteuerten veränderlichen simulierten Geschwindigkeitsgefühl versehen werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System mit einem Steuerknüppel, wie er beispielsweise in einem Flugzeug verwendet wird, der mit dem Steuersystem des Flugzeuges durch eine Elektkronik und einen Motormechanismus servogekoppelt ist.

Solche Systeme sind bekannt aus der EP-A-0 384 806 und der EP-A-0 401 079, bei denen Mittel vorgesehen sind, um ein nicht lineares Geschwindigkeitsgefühl für einen Steuerknüppel zu erzeugen.

Die Elektronik und der Motormechanismus dieser Systemtypen gibt im Betrieb ein simuliertes Gefühl für den Steuerknüppel vor. Insbesondere beginnt bei diesen Systemtypen, wenn der Steuerknüppel nahe einer Null- oder Mittelposition positioniert ist, dieser zu schwingen auf Grund der hohen Verstärkung im Verlauf des Drehmoments über der Position, die benutzt wird, um Losbrechkräfte durch den Motor zu erzielen, welcher den Steuerknüppel antreibt und seinerseits durch diesen angetrieben wird, sowie Oszillationen, die durch Getriebelose bei der Verbindung des Steuerknüppels mit dem Motor verursacht werden. Das System gemäß der Erfindung eliminiert solche Oszillationen des Steuerknüppels um die Nullposition, ohne die Kraft- und Gefühlscharakteristik des Steuerknüppels herabzumindem.

Die Servo-Regeltechnologie ist gut entwickelt, soweit sie auf dem Gebiet der Roboter angewendet wird. Speziell sind elektrische Motor- und Servosteuer-Systeme entwickelt und in der Vergangenheit verwendet worden beim Entwurf von Roboter-Handsteuerungen, die in der Lage sind, Kräfte, beispielsweise einer menschlichen Bedienungsperson wiederzugeben, die am Roboterende erfaßt werden.

Ein Beispiel des Typs von Steuersystem, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, ist in dem US-Patent Nr. 4 150 803 offenbart, welche einen Steuerknüppel für eine Bedienungsperson lehrt, der ein elektrisch simuliertes veränderliches Geschwindigkeitsgefühl besitzt. Das simulierte Gefühl der Einrichtung des US-Patents Nr. 4 150 803 wird durch ein System vorgegeben, das für die Bedienungsperson an den Steuerknüppel die geeignete Kraft- und Gefühlscharakteristik erzeugt, wenn diese verwendet wird, um ein Tankerrohr zu steuern, das bei Brennstoff-Nachfülloperationen zwischen Flugzeugen im Flug verwendet wird.

Diese Arten von Steuerungen beinhalten allgemein die Verwendung eines Steuerknüppels, der in wenigstens zwei zueinander senkrechten Ebenen betätigbar ist, um sowohl eine vertikale als auch seitliche Steuerung der gesteuerten Einrichtung vorzugeben. Ein Beispiel eines solchen Steuerknüppels ist in dem US-Patent Nr. 3 270 260 gezeigt, bei welchem der Steuerknüppel der Einrichtung elektrische Aufnehmereinrichtungen in Blättchenform besitzt, beispielsweise Kondensator-Brückenschaltkreise, die in einer symmetrischen Anordnung angeordnet sind, so daß eine auf den Steuerknüppel ausgeübte Kraft die symmetrische Schaltkreisanordnung verstimmt und ein Signal erzeugt, welches proportional zu der auf den Knüppel ausgeübten Kraft ist. Die durch die elektrischen Aufnehmer erzeugten Signale werden verwendet, um Ausgangssignale durch eine geeignete Elektronik zu erzeugen, wobei die Elektronik verwendet wird, um ein Steuerglied zu steuern und die Steuerung der gesteuerten Einrichtung zu bewirken.

Typischerweise ist bei diesen Systemen der Steuerknüppel mechanisch mit seiner Achse mit wenigstens einem Motor verbunden, welcher entweder eine Widerstandskraft an den Steuerknüppel anlegt oder auf Grund eines Signales, das durch Sensoren erzeugt wird, die Kräfte feststellen, welche an die Oberflächen des gesteuerten Gerätes angelegt werden, den Steuerknüppel antreibt und seinerseits das gesteuerte Gerät antreibt, um Kräfte zu vermindern, die durch das Gerät erzeugt werden bei einer durch die Bedienungsperson erfaßten Steuerung.

Diese Arten von Steuerungen sind besonders erwünscht zur Verwendung beim Betrieb moderner Flugzeuge, speziell in der Form von Steuerknüppeln oder Jochen. Im Betrieb sind die Einrichtungen, wie sie im Cockpit eines Flugzeuges verwendet werden, typischerweise ausgelegt, um irgendeine gewünschte Kraft/Verschiebecharakteristik für den Benutzer darzustellen, wobei die Größe der Steuerknüppelverschiebung proportional zu der angelegten Kraft ist. Die Steuerung erzeugt als Ausgang ein elektrisches Signal entsprechend der Steuerknüppelposition und das Signal wird verwendet, um das Flugzeug durch Einwirkung verschiedener Motore und mechanischer Einrichtungen in einer Weise zu steuern, die dem Fachmann wohlbekannt und herkömmlich ist. Somit geben im Gebrauch solche Systeme einen elektronisch gesteuerten manuellen Eingangs- Steuerknüppel vor, mit einer Kraft- und Gefühlscharakteristik entsprechend jenen von rein mechanisch verbundenen Systemen. Diese Anwendungen im Flugzeug werden typischerweise als "fly by wire"-Anwendungen bezeichnet. Beispiele von gegenwärtig vorliegenden Anwendungen dieser Technologie sind die Systeme, die im Airbus A300- Transportflugzeug, dem General Dynamics F16-Kampfflugzeug und der NASA- Raumfähre verwendet werden.

Um die Kraft- und Gefühlscharakteristik solcher Steuerknüppel mit simuliertem Gefühl zu erhöhen oder zu verbessern, wurden in der Vergangenheit Steuerelektroniken zusammen mit Sensoren für die Feststellung der Position des Steuerknüppels verwendet. Ein Signal wurde erzeugt und durch die Steuerelektronik verarbeitet, um einen Motor anzusteuern, welcher seinerseits den Steuerknüppel antrieb, um das Gefühl eines mechanischen Systems zu simulieren. Eine solche Steuerelektronik umfaßte ebenfalls einen Eingang von dem gesteuerten System, wie beispielsweise von einem Autopilot-System oder eine Wiedergabe von irgendwelchen externen Kräften, die auf die Flug-Steueroberflächen des Flugzeuges einwirken, die infolge der Rückführung und der Eingabe von den Oberflächen in die Steuerelektronik eingegeben wurden, um durch den Motor wiedergegeben zu werden, der mit dem Steuerknüppel des Benutzers verbunden ist.

Die Verwendung einer Rückkopplungsschleife, bei welcher die Position des Steuerknüppels festgestellt wird und ein sich daraus ergebendes Signal durch die Steuerelektronik verarbeitet wird, um zu der Steuerung eines Modus zu führen, mit welchem der Steuerknüppel verbunden ist und um eine Kraft- und Gefühlscharakteristik eines typischen mechanischen Systems zu erzielen, ist bekannt. Gemäß einer Verbesserung, wie sie in der zugehörigen Anmeldung Nr. (Anwaltsakte Nr. A3414307(15347-153)) offenbart ist und welche gleichzeitig mit dieser Anmeldung angemeldet wurde, wurde erkannt, daß die Feststellung der Position des Steuerknüppels nicht ausreicht, um vollständig die gewünschte Kraft- und Gefühlscharakteristik zu erzielen, wie sie für mechanische Systeme typisch ist. In dieser zugehörigen Anmeldung wird gelehrt, daß ein mechanisches System vollständiger simuliert werden kann, indem ebenfalls der Betrag der Kralt festgestellt wird, die auf den Steuerknüppel ausgeübt wird und indem sowohl die Position als auch das Kraftsignal durch die Steuerelektronik verarbeitet wird. Dies geschieht, um ein Steuersignal für den Motor zu erzeugen, mit dem der Steuerknüppel verbunden ist, welcher sowohl die Kraft als auch die Position als Teil der Rückkopplungsschleife wiedergibt. Durch die Wiedergabe der Kraft in der Schleife werden die Einflüsse der externen betriebsmäßigen Nichtlinearitäten eliminiert, die sich aus den elektromechanischen Verbindungen des Hand-Steuerknüppels ergeben.

Ungeachtet der Verbesserung, die in dieser zugehörigen Anmeldung offenbart ist, verursacht, wenn der Steuerknüppel eines solchen Systems um seine Nullposition positioniert ist, ein ziemlich großes Motor-Drehmoment eine Schwingung der Handsteuerung bei Null, es sei denn, das Positionssignal ist genau bei Null, wenn es der Rückkopplungsschleife zugeführt wird, die ein solches Signal durch die Steuerelektronik verarbeitet. Traditionell sind die Schwingungen bei Null korrigiert worden durch Vorgabe eines herkömmlichen Geschwindigkeits-Dämpfungssignales, welches eine Stabilität der Steuerschleife hinzufügt. Der Einfluß der Vorgabe einer beträchtlichen Geschwindigkeitsdämpfung liegt jedoch in einer herabgeminderten Übergangsantwort. Insbesondere macht eine übertriebene Geschwindigkeitsdämpfung gemäß dem Stand der Technik bei einer aktiven Handsteuerung das Gefühl der Handsteuerung zäh. Die Erfindung ist auf die Probleme der Vorgabe einer solchen Geschwindigkeitsdämpfung mit einer herabgeminderten Übergangsantwort gerichtet.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird erkannt, daß der Betrag der Geschwindigkeitsdämpfung, die erforderlich ist, um eine manuelle Eingangs-Steuereinrichtung, d.h. einen Steuerknüppel, der durch eine Servo-Steuerschleife um die Nullposition gesteuert wird, zu stabilisieren, den Betrag überschreitet, der bei anderen Positionen auf Grund der hohen Verstärkung in dem Drehmoment/Positionsverlauf eines Motors, mit dem ein solcher Steuerknüppel verbunden ist, benötigt wird, um die Losbrechkräfte zu erzielen. Andere Ursachen für eine solche Oszillation umfassen die sich ergebenden Getriebelose beim Betrieb in der Verbindung zwischen dem Motor und der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung.

Gemäß einem Aspekt ist die Erfindung auf eine Verbesserung in einem aktiven Hand- Steuersystem gerichtet, welches eine manuelle Eingangs-Steuereinrichtung, d.h. einen Steuerknüppel besitzt der mit einem Motor verbunden ist. Der Motor dient dazu, eine vorbestimmte Kraft- und Gefühlscharakteristik für die manuelle Eingangs- Steuereinrichtung vorzugeben, die einem Benutzer wiedergegeben wird. Der Motor ist an eine Steuerelektronik, d.h. eine Rückkopplungsschleife angeschlossen, um Signale zu erzeugen, welche den Motor auf Grund von Eingangssignalen steuern, die an der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung sowie in dem gesteuerten System erzeugt werden, beispielsweise an den Flug-Steuerflächen.

Gemäß der Erfindung wird eine selektive Geschwindigkeits-Dämpfungseinrichtung vorgegeben und dient der Vorgabe eines Signales, das einen höheren Betrag an Geschwindigkeitsdämpfung reprasentiert, an die Steuerelektronik zur Erzeugung eines Steuersignales, welches die Oszillationen dämpft, die infolge der Zusammenwirkung zwischen dem Motor mit der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung über die Getriebe auftreten, wenn sich die manuelle Eingangssteuerung ungefähr in ihrer Nullposition befindet. Die selektive Geschwindigkeits-Dämpfungseinrichtung gibt ein Signal vor, das eine geringere Geschwindigkeitsdämpfung aufweist, wenn die manuelle Eingangs- Steuereinrichtung an einem anderen Ort als um ihre Nullposition positioniert ist. Hierdurch wird die System-Stabilität verbessert, ohne daß dessen vorbestimmte Kraft- und Gefühlscharakteristik herabgemindert wird.

Für die Zwecke dieser Offenbarung sei vermerkt, daß mit "ungefähr um die Nullposition" die Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung gemeint ist, bei der Oszillationen auftreten infolge von beispielsweise der hohen Verstärkung in dem Drehmoment/Positionsverlauf des Motors, mit der sie verbunden ist, um Losbrechkräfte zu erzielen sowie von Oszillationen, die durch Getriebelose bei der Verbindung mit dem Motor verursacht werden. "Um Null" bedeutet typischerweise weniger als ungefähr 2% der vollen Verschiebung des Steuerknüppels.

Gemaß einem noch spezifischeren Aspekt umfaßt die selektive Geschwidigkeits- Dämpfüngseinrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung einen Schalter, der zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist und der durch einen Komparator gesteuert wird, der mit der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung über eine Positions-Feststelleinrichtung verbunden ist. Die Positions-Feststelleinrichtung stellt die Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung fest und erzeugt ein Signal entsprechend der Position für die Steuerung des Schalters, damit er sich in der zweiten Position befindet, um einen relativ hohen Verstärkungspegel an die Steuerelektronik vorzugeben, wenn sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung ungefähr um die Nullposition befindet, wodurch die Geschwindigkeitsdämpfung erhöht wird. Der Schalter befindet sich in der ersten Position, um ein relativ niedriges Verstärkungssignal an die Steuerelektronik vorzugeben, wodurch sich eine relativ geringe Geschwindigkeitsdämpfung ergibt, wenn sich der Steuerknüppel nicht um die Nullposition befindet.

Gemäß einem noch spezifischeren Aspekt umfaßt die Erfindung ebenfalls eine Differenziereinrichtung, die auf das Positionssignal einwirkt, das die Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung, d.h. des Steuerknüppels repräsentiert, um ein Signal zu erzeugen entsprechend der Geschwindigkeit der Bewegung der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung. Die Differenziereinrichtung ist in einer Weise angeschlossen, bei der das festgestellte Positionssignal und das erzeugte Geschwindigkeitssignal jeweils getrennt der selektiven Geschwindigkeits-Dämpfungeinrichtung zugeführt werden, um bei der Steuerung des Schalters zwischen der ersten und zweiten Position bewertet zu werden und um festzustellen, ob eine höhere oder niedrigere Geschwindigkeitsdämpfung auf Grund der Position des Steuerknüppels gewünscht ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfaßt die selektive Geschwindigkeits- Dämpfungseinrichtung gemaß der Erfindung einen Digitalrechner. Der Rechner errechnet und erzeugt über die Betriebssoftware und gemäß der festgestellten Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung ein Signal von relativ hoher Verstärkung, wenn die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung sich um die Nullposition befindet, um die Geschwindigkeitsdämpfung derselben zu erhöhen. Wenn die festgestellte Position außerhalb der Nullposition liegt, so ist das durch die Software erzeugte Signal von relativ geringer Verstärkung.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Dämpfen von Oszillationen in einem aktiven Hand-Steuersystem mit einer manuellen Eingangs- Steuereinrichtung, d.h. mit einem Steuerknüppel. Die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung ist mit einem Motor verbunden, der Oszillationen auf Grund von Rückkopplungssignalen auftreten läßt, die den Motor steuern, wenn die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung sich um die Nuliposition befindet. Gemäß dem Verfahren wird zunächst festgestellt, ob sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung in einer ersten Position um die Nullposition oder in einer zweiten Position außerhalb etwa der Nullposition befindet. Wenn sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung um die Nullposition befindet, wird die Positions- Signalrückführung zu dem Motor höher bedämpft als außerhalb der Nullposition.

Noch weitere Einzelheiten der Erfindung gehen beim Lesen dieser Beschreibung hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachdem die Erfindung kurz beschrieben worden ist, wird dieselbe besser aus der folgenden detaillierten Erläuterung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verstanden, in denen:

Figur 1 ein Blockdiagramm ist, das die aktive Handsteuer-Systemelektronik gemäß der Erfindung veranschaulicht und ferner die Mittel zeigt zur Vorgabe der ausgewählten relativ höheren Dämpfung für den Steuerknüppel wenn der Steuerknüppel sich um die Nullposition befindet;

Figur 2 eine Darstellung ist, die die Kraft/Verschiebe-Nichtlinearitäten veranschaulicht, die an dem Steuerknüppel bei unterschiedlichen Positionen desselben auftreten und die zusätzlich eine Nichtlinearität des Typs umfassen, welche auftritt beispielsweise in solchen Positionen die herkömmlicherweise als "soft-stop" bekannt sind:

Figur 3 ein detaillierteres Diagramm ist das Einzelheiten des Blockes veranschaulicht, der in dem Schaltungsdiagramm von Fig. 1 verwendet wird, um zu zeigen, wie eine selektive Geschwindigkeits dämpfung vorgegeben wird, um den Motor zu steuern der mit dem Steuerknüppel der Erfindung verbunden ist:

Figur 4 ein Blockdiagramm ist, das ein altematives Ausführungsbeispiel des aktiven Hand-Steuersystems der Erfindung veranschaulicht, welches modifiziert ist, um die Software zu verwirklichen, die in dem Flußdiagramm von Fig. 5 veranschaulicht ist; und

Figur 5 ein allgemeines Flußdiagramm ist, das die positionsabhängige Geschwindigkeitsdämpfung der Erfindung veranschaulicht, die als eine Softwareversion einer Komponente in einer endlosen Steuerschleife vorgegeben wird, um eine Geschwindigkeitsdämpfung in Abhängigkeit von der Position vorzugeben.

Detaillierte Erläuterung

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das den selektiven Geschwindigkeits- Dämpfungsschaltkreis gemäß der Erfindung veranschaulicht. Ein Steuerknüppel 11 mit einem Handgriff weist eine externe angelegte Kraft 13 von einem Benutzer, beispielsweise von einem Piloten auf. Der Steuerknüppel 11 ist mit dem Motor 19 verbunden, der eine bestimmte Kraft- und Gefühlscharakteristik zurück zu dem Steuerknüppel 11 vorgibt, um ein herkömmliches mechanisches System zu simulieren. Der Steuerknüppel 11 ist über einen Getriebeblock 17 mit dem Motor 19 verbunden und besitzt ebenfalls einen mit dem Steuerknüppel 11 verbundenen Kraftsensor 15 zur Feststellung der Größe der Kraft 13, die an den Steuerknüppel 11 angelegt wird. Ein Resolver 23, der rückwärts durch den Cetriebekopf 17 angetrieben wird, wenn eine Bedienungsperson den Steuerknüppel 11 bewegt. wird verwendet, um die Rotorposition des Motors 19 zum Zwecke der Korn mutierung des Motors 19 vorzugeben. Zusätzlich wird ein Steuersignal entsprechend der Bewegung des Steuerknüppels 11 durch den Resolver 23 an das über die Leitung 25 gesteuerte System vorgegeben. Bezüglich des Positionssignales, das durch den Resolver 23 erzeugt wird und das die Position des Steuerknüppels 11 anzeigt sowie des Signales. das durch den Kraftsensor 15 erzeugt wird und das irgendwelche Kraft anzeigt. die an den Steuerknüppel 11 angelegt wird, werden diese Signale zurück in eine Steuerschleife geführt. um durch die Steuerelektronik 73 verarbeitet zu werden und ein Signal über die Leitung 75 auszugeben. um das Drehmoment des Motors 19 zu steuern, wodurch eine ge eignete Kraft- und Gefühlscharakteristik für den Steuerknüppel 11 vorgegeben wird.

Ein Problem bei diesen Arten von Handsteuerungen liegt darin, daß wenn der Steuerknüppel 11 um seine Nullposition angeordnet ist, der Steuerknüppel 11 zu oszillieren beginnt auf Grund des durch den Motor 19 erzeugten Drehmomentes. Traditionell werden solche Oszillationen gesteuert durch Vorgabe einer Geschwindigkeitsdämpfung in dem Steuersystem des Motors 19. Eine solche Geschwindigkeitsdämpfung verbessert die Stabilität des Steuerknüppels jedoch auf Kosten des herabgeminderten Übergangsverhaltens. Eine übertriebene Geschwindigkeitsdämpfung in einer aktiven Steuerung macht das Gefühl der Handsteuerung in einer unerwünschten Weise zäh.

Gemäß der Erfindung und dem in Fig. 1 veranschaulichten Schaltkreis wird die Geschwindigkeitsdämpfüng mit einer sehr hohen Verstärkung nur vorgegeben, wenn sich der Steuerknüppel 11 in einem kleinen Bereich um die Mittelposition befindet. Somit wird einige Stabilität vorgegeben ohne daß das Gesamtgefühl bei der Verwendung des Steuerknüppels 11 herabgemindert wird.

Der Grund für die Vorgabe der höheren Geschwindigkeitsdämpfung um die Mittelposition ist in Fig. 2 veranschaulicht, welche zeigt, daß die Losbrechkraft um die Nullposition bezogen auf die Verschiebung des Steuerknüppels 11 dort sehr viel größer als bei anderen Positionen ist. Dies wird hervorgerufen durch die hohe Positions-Schleifenverstärkung in dem Drehmoment/Positionsverlauf gemäß Fig. 2 für den Motor 19 sowie auf Grund anderer Betriebscharakteristiken, wie beispielsweise einer Getriebelose bei der Verbindung zwischen dem Steuerknüppel 11 über den Getriebekopf 17 mit dem Motor 19.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 stellt der Kraftsensor 15 die auf den Steuerknüppel 11 ausgeübte Kraft fest und liefert ein Signal entsprechend der angelegten Kraft über die Leitung 65. Das Signal 65 von dem Kraftsensor 15 wird behandelt und skaliert. um ein bipolares Analogsignal 69 mit hohem Pegel (±5 oder ±10V) zu bilden. das sich linear mit der angelegten Kraft an dem Steuerknüppel 11 verändert. Beispielsweise besitzt ein Kraftsensor vom Dehnungsstreifentyp typischerweise ein Ausgangssignal von 15 mV. das hochempfindlich auf Rauschen ist. Ein anderes Beispiel eines Kraftsensors zur Verwendung bei der Erfindung ist ein Kraftsensor mit einem Wechselspannungsausgang. der in Abhängigkeit von der Kraft moduliert wird. Die Behandlungs- und Skalierungselektronik 67 setzt den Kraftsensor-Ausgang 65 in ein verwendbares Kraltsignal 69 um. Das Kraftsignal wird über die Leitung 69 der Steuerelektronik 73 in einer Weise zugeführt, wie dies in der zugehörigen Anmeldung Nr. (Anwaltsakte Nr. A3414307(15347-153)) offenbart ist. In gleicher Weise ist die Rückkopplungsschleife für die Position des Steuerknüppels 11 in der oberen Hälfte von Fig. 1 ähnlich zu derjenigen in der zugehörigen Anmeldung mit der Ausnahme, daß das Positionssignal, das durch den Resolver 23 über die Leitung 27 erzeugt wird, über die Leitung 29 zu dem Differenzierblock 37 weitergereicht wird, so daß die Ableitung von diesem Signal gebildet wird. Die Ableitung erfolgt beispielsweise durch Überwachung der Geschwindigkeit, mit der der Resolver/Digital-Wandler seinen digitalen Ausgang nach oben oder nach unten erhöht, um ein Geschwindigkeitssignal zu bilden, das über die Leitung 39 an den positionsabhängigen Skalierungsblock 41 weitergereicht wird.

In dem positionsabhängigen Skalierungsblock 41 wird das Geschwindigkeitssignal 39 gemäß der Position des Steuerknüppels 11, wie sie durch das Positionssignal 47 angezeigt wird, skaliert. Beispielsweise wird bei ciner Position um Null der positionsabhängige Skalierungsblock 41 das Geschwindigkeitssignal 39 um einen Faktor verstärken, der etlichemal größer als der Skalierungsfaktor bei anderen Positionen ist. Dies kann durch irgendeine Anzahl unterschiedlicher Verfahren verwirklicht werden. Ein solches Verfahren kann durch den Schaltkreis gemäß Fig. 3 ausgeführt werden. Bei ungelähr Null bleibt der Schalter bei 105 geöffnet, wodurch die Verstärkung des Geschwindigkeitssignales 39 erhöht wird. Bei anderen Positionen bleibt der Schalter geschlossen. In gleicher Weise kann diese Funktion durch Software verwirklicht werden, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben ist und hier erläutert wird.

Der Resolver 23 erzeugt ein moduliertes Wechselspannungs-Ausgangssignal 31, welches in dem Signalbehandlungsblock 43 demoduliert werden muß, um ein verwendbares Steuersignal in einem Steuersystem zu erzeugen. Typischerweise wird ein Resolver/Digital-Wandler als Signalbehandlungsblock 43 verwendet. um den Resolverausgang in eine digitale oder binäre Darstellung der Position umzuwandeln. Diese digitale Darstellung der Position wird sodann in ein Analogsignal 45 mit hohem Pegel durch einen Digital/Analog-Wandlerchip ebenfalls in dem Signalbehandlungsblock 43 umgewandelt. Das sich ergebende Positionssignal 45 wird über die Leitung 47 weitergereicht, um zusammen mit dem Geschwindigkeitssignal in dem positionsabhängigen Skalierungsblock 41 verarbeitet zu werden. Die Arbeitsweise des positionsabhängigen Skalierungsblockes 41 sei in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Das sich von dem Block 41 ergebende Signal wird sodann über die Leitung 61 zu der Summiereinrichtung 63 weitergereicht. Dieses Signal von dem Block 41 dient zur Vorgabe eines Dämpfungssignales entweder mit hoher oder mit niedriger Verstärkung durch die Steuerelektronik 73 und über die Leitung 75 an den Motor 19 in Abhängigkeit davon ob der Steuerknüppel 11 sich in oder um die Nuliposition oder außerhalb seiner Nullposition befindet.

Wie ebenfalls in Fig. 1 veranschaulicht, wird das Positionssignal ebenfalls über die Leitung 49 zu dem Skalierungsblock 51 gereicht und dieses wird nach einer Skalierung in einer herkömmlichen Weise über die Leitung 59 zu der Summiereinrichtung 63 weitergereicht. Das Positionssignal wird ebenfalls an die Leitung 53 weitergereicht, um der Losbrech- Kraftcharakteristik des Steuerknüppels 11 Rechnung zu tragen, indem es in dem Losbrechsignal-Erzeugungsblock 55 verarbeitet wird und über die Leitung 57 an die Summiereinrichtung 63 gereicht wird, von wo die kombinierten Signale über die Leitung 71 zu der Steuerelektronik 73 gereicht werden, um das geeignete Steuersignal an den Motor 19 vorzugeben.

Wie in Fig. 3 veranschaulicht, hängt der Betrag der Dämpfüng, die an den Steuerknüppel 11 vorgegeben wird, von der Größe des Signales ab, das sich von dem positionsabhängigen Skalierungsblock 41 auf der Leitung 61 ergibt. Die Dämpfung wird gesteuert durch den Schaltkreis des dämpfungsabhängigen Skalierungsblockes 41 mittels der Verstärkung, die durch den Operationsverstärker 113 vorgegeben wird, der nachstehend als op-amp 113 bezeichnet wird. Wie aus Fig. 3 erkennbar, ist der op-amp 113 in einer invertierenden Verstärker-Schaltkreiskonfiguration angeordnet, wobei das Geschwindigkeitssignal über die Leitung 39 über den Widerstand 111 dem negativen Eingang des op-amp 113 zugeführt wird. Über dem Eingang und dem Ausgang des op-amp 113 ist eilt Paar von Widerständen 107 und 109 parallel angeordnet, wobei ein Schalter 105 durch den Steuer-Funktionsblock 101 gesteuert wird. Der Steuer-Funktionsblock 101 dient der Ausgabe eines Signales über die Leitung 103 an den Schalter 105, um den Schalter 105 entweder zu öffnen oder zu schließen. Wenn der Schalter 105 geschlossen ist so wird das Positionssignal über den Widerstand 107 zusammen mit dem auf der Leitung 39 eingehenden Geschwindigkeitssignal weitergereicht. Ob der Schalter 105 geöffnet oder geschlossen ist hängt von dem Positionssignal ab. das über die Leitung 47 von dem Resolver 23 kommt. Wie gemäß der Erfindung entnommen werden kann, wird die Verstärkung des Positions- Dämpfungssignales von dem positionsabhängigen Skalierungsblock 41 gemäß der tatsächlichen Position des Steuerknüppels 11 gesteuert.

Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Verwirklichung der Erfindung, wobei ein Digitalrechner verwendet wird, um die Steuerung über eine spezifische Software vorzugeben, die unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben wird. In Fig. 4 sind gleiche Elemente in gleicher Weise wie in Fig. 1 beziffert und sie arbeiten in der gleichen Weise. es sei denn, daß etwas anderes vermerkt ist. In dem Steuersystem von Fig. 4 werden das Drehmomentsignal mit hohem Pegel auf der Leitung 69 und das Geschwindigkeitssignal auf der Leitung 39 in Digitalsignale durch Analog/Digital-Wandler 76 und 77 umgewandelt. Ein Digitalrechner 201, der in gestrichelten Linien gezeigt ist, ersetzt die Elemente, die von der gestrichelten Linie umschlossen sind, um über die Software, die unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben ist und basierend auf den digitalen Eingangs-, Geschwindigkeits-, Positions- und Drehmoment-Signalen ein gewünschtes und berechnetes Motor-Drehmomentsignal zu berechnen, welches über die Leitung 78 an den Digital/Analog-Wandler 79 weitergereicht wird, um durch die Steuerelektronik in einer ähnlichen Weise wie in Fig. 1 bearbeitet zu werden. Im Falle von Fig. 5 ist der Signalbehandlungsblock 43 nunmehr als Resolver/Digital-Wandler 43, gezeigt, der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 als ein Beispiel eines Gerätetyps erläutert wurde, der als der Signalbehandlungsblock 43 verwendet werden kann.

Das System von Fig. 4 arbeitet speziell wie es unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 5 beschrieben ist wobei die Softwareversion der Erfindung in einer endlosen Schleife verwirklicht ist, welche die Geschwindigkeitsdämplung in Abhängigkeit von der Position vorgibt. Komponenten, die nicht auf die Geschwindigkeitsdämpfung bezogen sind und die erforderlich sind. um die vollständige Steuerschleife zu bilden, sind aus Referenzgründen in dem Block in den gestrichelten Linien gezeigt, sind aber nicht erforderlich, um das Konzept der Erfindung zu veranschaulichen. Die Schritte solcher Komponenten in dem Programm sind herkömmlicher Art und dem Fachmann wohl bekannt.

Kehrt man nun zu der Softwareverwirklichung der Erfindung, so werden am Beginn der Steuerschleife Messungen der Position und Geschwindigkeit in Echtzeit eingegeben.

Speziell können die Position und Geschwindigkeit bei dieser Verwirklichung Vektorgrößen sein, beispielsweise sind für eine herkömmliche aktive Handsteuerung mit 6 Achsen die Position und Geschwindigkeit Vektoren aus 6 Komponenten. Nach einem solchen Eingabeschritt wird eine Liste von im voraus definierten und nicht-überlappenden Positionsbändem oder Intervallen geprüft, um festzustellen, in welchem Band die momentane Position sich befindet. Für Mehrachsen-Systeme, bei denen die Position durch einen Vektor dargestellt wird, wird ein Band unabhängig für jede Achse festgelegt.

Die "Geschwindigkeits-Befehls-Komponente" ist die Komponente der Ausgangs- Rückführungsanweisung, die für die Verwirklichung der Geschwindigkeitsdämpfung verantwortlich ist. Der Betrag der Geschwindigkeitsdämpfung wird für jede Achse berechnet durch Multiplizieren des "Geschwindigkeitsfaktors" für das laufende Band mit der Geschwindigkeit die für die Bewegung des Steuerknüppels 11 festgestellt ist. Typischerweise sind die "Geschwindigkeitsfaktoren" negative Zahlen, die verwendet werden, um die Dämpfung zu erzielen, d.h. eine Kraft entgegengesetzt der laufenden Geschwindigkeit. Die "Geschwindigkeitsfaktoren" sind durch das Band für jede Achse unabhängig in Tabellenform vorgegeben. Die Rückführungs-Anweisung wird sodann errechnet durch Summierung der "Geschwindigkeits-Anweisungs-Komponente" mit irgendeiner anderen Anweisungskomponente, die aus anderen Gründen als der Geschwindigkeitsdämpfung benötigt wird. Die summierten Komponenten führen zu einer Vektorsumme für ein aktives Mehrachsen-Handsteuersystem. Schließlich wird die Rückführungsanweisung an das gesteuerte System ausgegeben und die Schleife wird geschlossen, indem die vorstehende Folge für den nächsten Iterationsschritt wiederholt wird.

Es sei vermerkt, daß das Konzept der Erfindung, wie es in Hardware in Fig. 1 und in Sofiware in Fig. 5 veranschaulicht ist, ausgedehnt werden kann, um bei Mehrfach- Positionsbändern mit Mehrfachgraden der Geschwindigkeitsdämpfung für Handsteuerungen mit mehreren Achsen verwendet zu werden. Eine solche Anwendung, wo Mehrfachbänder benötigt werden, umfaßt ein System mit "soft-stops", die in der Kraft/Verschiebungskurve programmiert sind, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Ein Soft-Stop ist ein herkömmliches und wohlbekanntes Konzept für den Fachmann und muß hier nicht in näheren Einzelheiten offenbart werden. Bei Soft-Stops wird ein erhöhte Dämpfung an dem Soft-Stop benötigt auf Grund der Nichtlinearität des Kraft/Verschiebeverlaufs. Somit werden zusätzliche Positionsbänder um die zwei Positionen benötigt, um das System stabil zu halten, wenn die Steuerung durch den nichtlinearen Teil der Kurve an dem Soft-Stop verläuft.


Anspruch[de]

1. Aktives Hand-Steuersystem mit einer manuellen Eingangs-Steuereinrichtung (11), die an einen Motor (19) angeschlossen ist, der eine gewünschte, nicht lineare Kraftund Gefühlscharakteristik an die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung vorgibt, die durch einen Benutzer wahrgenommen wird, wobei der Motor mit einer Steuerelektronikeinrichtung (73) verbunden ist, um den Motor auf Grund von Eingangssignalen zu steuern, die an der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung und aneinemgesteuertensystemerzeugtwerden, gekennzeichnet durch: eine selektive Geschwindigkeits-Dämpfungseinrichtung (41) zur Vorgabe eines höheren Betrages an Geschwindigkeitsdämpfung an die Steuerelektronikeinrichtung (73), wenn die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung (11) um die Nullposition positioniert ist gegenüber dem Zustand, wo die manuelle Eingangs- Steuereinrichtung anders als um die Nullposition positioniert ist, wodurch die Systemstabilität ohne Herabminderung der vorbestimmten Kraft- und Gefühlscharakteristik verbessert wird, wobei die selektive Geschwindigkeits- Dämpfungseinrichtung (41) einen Schalter (105) umfaßt der zwischen einer ersten und einer zweiten Position beweglich ist, der Schalter an einen Komparator (101) angeschlossen und durch diesen gesteuert ist, welcher mit der manuellen Eingangs- Steuereinrichtung über eine Positions-Feststelleinrichtung (23) verbunden ist wobei die Positions-Feststelleinrichtung sowohl der Feststellung der Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung (11) als auch der Erzeugung eines entsprechenden Signales und der Übertragung dieses Signales zu dem Komparator dient um den Schalter in die zweite Position zu steuern und ein Signal mit relativ hoher Verstärkung an die Steuerelektronik (73) vorzugeben. wenn sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung in einer Position um Null befindet. um die Geschwindigkeitsdämpfung zu erhöhen und um den Schalter in die erste Postion zu steuern und ein Signal mit relativ geringer Verstärkung an die Steuerelektronikeinrichtung und eine relativ geringe Geschwindigkeitsdämpfung vorzugeben.

2. Steuerung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Differenziereinrichtung (37) zur Einwirkung auf das Positionssignal. uni ein Signal entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit der manuellen Eingangs- Steuereinrichtung zu erzeugen und die in einer Weise angeschlossen ist, bei der das Positionssignal und das Geschwindigkeitssignal jeweils getrennt der selektiven Geschwindigkeits-Dämpfungseinrichtung (41) zugeführt werden, um bei der Steuerung des Schalters (105) zwischen den ersten und zweiten Positionen bewertet zuwerden.

3. Steuerung nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch eine an den Schalter (105) angeschlossene Verstärkungseinrichtung (113) zur Erzeugung des Signales mit hoher oder niedriger Verstärkung als ein Ausgang gemäß der Position des Schalters zwischen der ersten und zweiten Position.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (113) in einer invertierenden Verstärkungs- Schaltkreiskonfiguration angeordnet ist, wobei zwei Widerstände (107,109) parallel zueinander und bezüglich der Verstärkungseinrichtung über einem Eingang und einem Ausgang derselben angeordnet sind und daß der Schalter (105) zwischen dem Eingang der Verstärkungseinrichtung (113) und einem der Widerstände angeschlossen ist.

5. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Geschwindigkeits-Dämpfüngseinrichtung (41) einen Digitalrechner (201) mit gespeicherter Software umfaßt, die für die Berechnung und Vorgabe eines Rückführungs-Signalausganges geeignet ist um eine höhere Dämpfung oder eine niedrigere Dämpfung an die Steuerelektronikeinrichtung (73), basierend auf der Feststellung der Position der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung (11) vorzugeben.

6. Verfahren zur Schwingungsdämpfung in einem aktiven Hand-Steuersystem mit einer an einen Motor angeschlossenen manuellen Eingangs-Steuereinrichtung, wobei die Schwingungen aus dem Betrieb des Motors auf Grund der den Motor steuernden Positions-Signalrückführung resultieren, wenn die manuelle Eingangs- Steuereinrichtung um ihre Nullposition positioniert ist gekennzeichnet durch die Schritte:

Feststellung, ob sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung in einer ersten Position um die Nuliposition oder in einer zweiten Position außerhalb der Nullposition befindet;

Vorgabe einer höher gedämpften Positions-Signalrückführung, wenn sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung in der ersten Position befindet, um den Motor weniger empfindlich zu steuern, was zu verminderten Schwingungen führt;

Vorgabe einer niedriger gedämpften Positions-Signalrückführung, wenn sich die manuelle Eingangs-Steuereinrichtung in der zweiten Position befindet, um den Motor zu steuern, so daß er die gewunschte Kraft- und Gefühlscharakteristik an der manuellen Eingangs-Steuereinrichtung im Gebrauch aufweist.







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