Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung einer
Servolenkvorrichtung, bei welcher der Servolenkvorgang unter Verwendung des
Arbeitsöldrucks unterstützt wird, der durch eine von einem Elektromotor angetriebene
Hydraulikpumpe erzeugt wird.
Beschreibung des relevanten Standes der Technik
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Eine Servolenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist im
Stand der Technik bekannt.
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Insbesondere zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild der Konfiguration der
wesentlichen Teile einer herkömmlichen, zur Unterstützung des Lenkvorgangs
vorgesehenen Servolenkvorrichtung, bei welcher der Arbeitsöldruck einer von einem
Elektromotor angetriebenen Hydraulikpumpe verwendet wird. Bei dieser
Servolenkvorrichtung treibt eine Motorsteuerschaltung 2 entsprechend dem
Zielwert einer von einer Steuereinheit 1 bezeichneten Zuführspannung einen
Elektromotor 4 an, und der Elektromotor 4 treibt die Hydraulikpumpe 5 an.
Somit erzeugt die Hydraulikpumpe 5 den Arbeitsöldruck.
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Bei Betätigung eines Lenkrads 7 wird eine Getriebeeinheit aktiviert, die ein
Zahnrad 6c aufweist, das am unteren Ende einer Lenkradsäule angeordnet ist.
Ein Steuerventil 6 steuert den Druck des Arbeitsöls, das mit dem Servozylinder
kommunizierenden Rohrleitungen 6a, 6b unter Druck zugeführt, wird. Dadurch
wird der Servozylinder derart betätigt, dass eine Lenkunterstützungskraft mit
demjenigen Betrag und in derjenigen Richtung erzeugt wird, die der
Betätigung des Lenkrads entsprechen.
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Das Arbeitsöl läuft in einer Hydraulikschaltung um, welche die Hydraulikpumpe
5, das Steuerventil 6, den Servozylinder, einen Ölzuführtank 5a usw. aufweist.
Die Hydraulikschaltung ist mit einem Entlastungsventil 5b versehen, um das
Arbeitsöl zu dem Steuerventil 6 umzuleiten.
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Das Entlastungsventil 5b als Ventil zum Umleiten des Arbeitsöls zu dem
Steuerventil 6 soll eine Beschädigung der Hydraulikschaltung verhindern, wenn bei
der Durchführung eines Servolenkvorgangs ein Überstrom in dem
Elektromotor 4 fließt und dadurch gemäß Fig. 2C der Arbeitsöldruck übermäßig ansteigt.
Da der Druck in der Hydraulikschaltung durch das Entlastungsventil 5b
reduziert wird, nimmt zwar die Drehzahl der Hydraulikpumpe 5 nicht ab, jedoch
wird der Strom des Arbeitsöls reduziert.
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Zwischen der Motorsteuerschaltung 2 und dem Elektromotor 4 ist eine
Motorstromdetektionsschaltung 3 zum Detektieren des im Elektromotor 4 fließenden
Stroms angeordnet, und ein von der Motorstromdetektionsschaltung 3
erzeugtes Motorstromdetektionssignal wird der Steuereinheit 1 zugeführt. Die
Steuereinheit 1 steuert das Schaltender dem Elektromotor 4 zugeführten
Spannung entsprechend dem Motorstromdetektionssignal.
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Beider herkömmlichen Servolenkvorrichtung mit der oben aufgeführten
Konfiguration reduziert die Steuereinheit 1 die dem Elektromotor 4 zuzuführende
Spannung um eine Stufe, wie Fig. 3 zeigt, und reduziert somit zwecks
Absenkung des Energieverbrauchs die Ausgangsleistung des Elektromotors 4, wenn
das Lenkrad nicht betätigt wird und somit keine Lenkunterstützungskraft
erforderlich ist (wenn der im Elektromotor 4 fließende Strom klein ist). Es sei
angenommen, dass das Steuerventil 6 durch Bedienung des Lenkrads 7
betätigt wird, der Arbeitsöldruck zum Erzielen einer höheren Last ansteigt, und
dass der im Elektromotor 4 fließende Strom ebenfalls ansteigt, wobei das
Motorstromdetektionssignal der Motorstromdetektionsschaltung 3 einen
vorbestimmten Wert erreicht. In diesem Fall erhöht die Steuereinheit 1 die dem
Elektromotor 4 zuzuführende Spannung um eine Stufe und vergrößert dadurch
die Ausgangsleistung des Elektromotors 4.
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Bei der herkömmlichen Servolenkvorrichtung strömt, da die dem Elektromotor
4 zuzuführende Spannung zwischen zwei Werten geschaltet wird, beim
Schalten der Spannung ein großer Strom (Einschaltstrom) in dem Elektromotor 4.
Somit wird für die Motorsteuerschaltung 2 ein Motorsteuerelement mit einer
hohen Kapazität benötigt, wodurch die Vorrichtung vergrößert wird und die
Herstellungskosten erhöht werden.
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Zudem wird ein Entlastungsventil 5b benötigt, wenn der große Strom in dem
Elektromotor 4 fließt und der Arbeitsöldruck übermäßig ansteigt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der oben aufgeführten Probleme
entwickelt, und es ist Aufgabe der Erfindung, eine Servolenkvorrichtung zu
Schaffen, die eine Miniaturisierung und eine Reduzierung der
Herstellungskosten ermöglicht, wenn ein Motorsteuerelement mit einer hohen Kapazität und
ein Entlastungsventil einer Hydraulikschaltung benötigt werden.
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Bei der Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung gibt eine
Stromsteuereinrichtung eine dem Elektromotor zuzuführende Spannung aus, um einen in dem
Elektromotor fließenden Strom durch Rückkopplung eines von einer
Motorstromdetektionsschaltung detektierten Motorstroms auf einen vorbestimmten
Wert zu setzen. Ferner gibt eine Motorzuführspannungs-Angabeeinrichtung die
dem Elektromotor zuzuführende Spannung an. Eine
Motorspannungswähleinrichtung wählt aus der von der Stromsteuereinrichtung ausgegebenen
Span
nung und der von der Motorzuführspannungs-Angabeeinrichtung angezeigten
Spannung die niedrigere Spannung aus und gibt sie an die
Motorsteuerschaltung aus. Da somit beim Schalten der dem Elektromotor zuzuführende
Spannung kein großer Strom fließt, entfällt die Notwendigkeit eines Kapazitäts-
Motorsteuerelements mit hoher Kapazität, sodass eine Miniaturisierung und
eine Senkung der Herstellungskosten ermöglicht werden.
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Wenn ein vorbestimmter Wert zum Begrenzen des in dem Elektromotor
fließenden Stroms auf der Basis eines Druck-Grenzwerts einer Hydraulikschaltung
gesetzt wird, die eine Hydraulikpumpe enthält, überschreitet der Öldruck, der
in dem von der Hydraulikpumpe angetriebenen Elektromotor erzeugt wird, nie
den Druck-Grenzwert der Hydraulikschaltung. Dies hat den Effekt, dass ein
Entlastungsventil unnötig wird.
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Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der
folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
deutlicher ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Konfiguration der wesentlichen Teile
eines Beispiels einer herkömmlichen Servolenkvorrichtung;
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Fig. 2A zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise einer
herkömmlichen Vorrichtung;
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Fig. 2B zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise einer
herkömmlichen Vorrichtung;
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Fig. 2C zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise einer
herkömmlichen Vorrichtung;
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Fig. 3 zeigt ein Detail-Schaubild zur Veranschaulichung des Verhältnisses
zwischen der Motorzuführspannung und dem Motorstrom;
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Konfiguration der wesentlichen Teile
eines Beispiels einer Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung;
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Fig. 5 zeigt ein Detail-Schaubild zur Veranschaulichung des Verhältnisses
zwischen dem Motorstrom und, der durch ein Ausgangssignal einer
Motorzuführspannungswähleinheit ausgedrückten
Motorzuführspannung bei der Servolenkvorrichtung gemäß Fig. 4;
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Fig. 6A zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise der
Servolenkvorrichtung gemäß Fig. 4;
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Fig. 6B zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise der
Servolenkvorrichtung gemäß Fig. 4;
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Fig. 6C zeigt ein Schaubild eines Details der Arbeitsweise der
Servolenkvorrichtung gemäß Fig. 4;
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Fig. 7 zeigt ein Schaltbild von Beispielen der Schaltung der Steuereinheit,
der Motorsteuerschaltung und der Motorstromdetektionsschaltung
bei der Servolenkvorrichtung gemäß Fig. 4.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, detailliert
beschrieben.
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Konfiguration der wesentlichen Teile eines
Beispiels einer Servolenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung. Bei dieser Servolenkvorrichtung treibt eine Motorsteuerschaltung 2
einen Elektromotor 4 entsprechend einer Motorzuführspannung, die durch eine
in der Steuereinheit 1a enthaltene Motorzuführspannungswähleinheit 1c
angegeben wird, drehend an, und der Elektromotor 4 treibt eine Hydraulikpumpe 5
an. In dieser Weise erzeugt die Hydraulikpumpe 5 den Arbeitsöldruck.
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Bei Betätigung eines Lenkrads 7 wird eine Getriebeeinheit aktiviert, die ein
Zahnrad 6c aufweist, das am unteren Ende der Lenkradsäule angeordnet ist.
Ein Steuerventil 6 steuert den Druck des Arbeitsöls, das mit einem
Servozylinder kommunizierenden Rohrleitungen 6a, 6b unter Druck zugeführt wird.
Dadurch wird der Servozylinder derart betätigt, dass er eine
Lenkunterstützungskraft mit einem Betrag und in einer Richtung erzeugt, die der Betätigung des
Lenkrads 7 entsprechen.
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Das Arbeitsöl läuft in einer Hydraulikschaltung um, welche die Hydraulikpumpe
5, das Steuerventil 6, den Servozylinder, einen Ölzuführtank 5a usw. aufweist.
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Zwischen der Motorsteuerschaltung 2 und dem Elektromotor 4 ist eine
Motorstromdetektionsschaltung 3 zum Detektieren des im Elektromotor 4
fließenden Stroms angeordnet. Das resultierende Motorstromdetektionssignal
wird einer in der Steuereinheit 1a enthaltenen
Motorzuführspannungs-Angabeeinrichtung 1b zugeführt. Die Motorzuführspannungs-Angabeeinrichtung 1b
gibt ein Motorzuführspannungs-Angabesignal, das auf der Basis des
Motorstromdetektionssignals gemäß Fig. 5 eine niedrige Spannung oder eine hohe
Spannung als dem Elektromotor 4 zuzuführende Spannung angibt.
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Das von der Motorstromdetektionsschaltung 3 ausgegebene
Motorstromdetektionssignal wird ferner in eine Stromsteuereinheit 1d eingegeben. In der
Stromsteuereinheit 1d detektiert eine Subtraktionseinheit 8 die Differenz
zwischen einer vorbestimmten Spannung Vref und dem
Motorstromdetektions
signal. Die vorbestimmte Spannung Vref wird entsprechend dem Motorstrom
gesetzt, welcher derart eingestellt ist, dass der Arbeitsöldruck einen Druck-
Grenzwert der die Hydraulikpumpe 5 enthaltenden Hydraulikschaltung nicht
überschreitet.
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Eine P. I.-Element-Einheit 9 führt eine proportionale Berechnung und eine
integrale Berechnung der in der Subtraktionseinheit 8 detektierten Differenz
durch und errechnet die Summe des Proportionalberechnungs-Werts und des
Integralberechnungs-Werts (den P. I.-Berechnungs-Wert). Das resultierende
P. I.-Berechnungswert-Signal wird an eine Motorzuführspannungswähleinheit
1c ausgegeben. Die Motorzuführspannungswähleinheit 1c wählt aus der
Spannung, die durch das Motorzuführspannungs-Angabesignal angegeben wird,
und der Spannung, die durch das an sie ausgegebene P.
I.-Berechnungswertsignal angegeben wird, die niedrigere Spannung aus und gibt ein Signal, das
die gewählte Spannung ausdrückt, als Signal zur Angabe der an die
Motorsteuerschaltung 2 anzulegenden Spannung aus.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der in der oben beschriebenen Weise
ausgebildeten Servolenkvorrichtung beschrieben.
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Es sei der Fall angenommen, dass die Lenkunterstützungskraft nicht
erforderlich ist, da keine Betätigung des Lenkrads 7 erfolgt (wenn der im Elektromotor
4 fließende Strom klein ist). Um den Energieverbrauch zu reduzieren, gibt
gemäß Fig. 5 die in der Steuereinheit 1a enthaltene Motorzuführspannungs-
Angabeeinrichtung 1b ein Motorzuführspannungs-Angabesignal aus, um die
dem Elektromotor 4 zuzuführende Spannung zu reduzieren, und reduziert
somit die Ausgangsleistung des Elektromotors 4. Anschließend wird bei
Betätigung des Lenkrads 7 das Steuerventil 6 aktiviert, und der Arbeitsöldruck wird
zwecks Vergrößerung der Last erhöht, wodurch der im Elektromotor 4
fließende Strom vergrößert wird. Wenn das von der Motorstromdetektionsschaltung 3
ausgegebene Motorstromdetektionssignal einen vorbestimmten Wert erreicht,
gibt, die Motorzuführspannungs-Angabeeinrichtung 1b das
Motorzuführspan
nungs-Angabesignal aus, um die dem Elektromotor 4 zuzuführende Spannung
um eine Stufe zu erhöhen und dadurch die Ausgangsleistung des
Elektromotors 4 zu vergrößern.
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In der Stromsteuereinheit 1d empfängt die Subtraktionseinheit 8
normalerweise den vorbestimmten Wert Vref und das von der
Motorstromdetektionsschaltung 3 ausgegebene Motorstromdetektionssignal und detektiert die Differenz
zwischen diesen Signalen. Das P. I.-Element 9 führt eine
Proportional-Berechnung und eine Intergral-Berechnung der detektierten Differenz durch und
berechnet die Summe des Proportional-Berechnungswerts und des Integral-
Berechnungswerts (P. I.-Berechnungswert). Das resultierende P.
I.-Berechnungswert-Signal wird einer Motorzuführspannungs-Wähleinheit 1c zugeführt.
Die Motorzuführspannungs-Wähleinheit 1c wählt aus der von dem
Motorzuführspannungs-Angabesignal angegebenen Spannung, und der von dem P. I.-
Berechnungswert-Signal angegebenen Spannung die niedrigere Spannung aus
und gibt ein Signal, das die gewählte Spannung ausdrückt, als Signal zur
Angabe der an die Motorsteuerschaltung 2 anzulegende Spannung aus. Die
Motorsteuerschaltung 2 steuert den Elektromotor 4, indem sie dem Motor die
Spannung zuführt, die der von Motorzuführspannungswähleinheit 1c
angegebenen Spannung entspricht, und der Elektromotor 4 treibt die Hydraulikpumpe
5 an. In dieser Weise erzeugt die Hydraulikpumpe 5 den Arbeitsöldruck.
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Fig. 5 zeigt ein Detail-Schaubild zur Veranschaulichung des Verhältnisses
zwischen dem Motorstrom und der durch das Ausgangssignal der
Motorzuführspannungswähleinheit 1c ausgedrückten Motorzuführspannung. Gemäß diesem
Detail-Schaubild wählt innerhalb eines Bereichs A, in dem der Motorstrom
kleiner ist als der Motorstrom, der so gesetzt ist, dass der Arbeitsöldruck nicht
den Druck-Grenzwert der die Hydraulikpumpe 5 enthaltenden
Hydraulikschaltung übersteigt, der dem vorbestimmten Wert Vref entspricht, die
Motorzuführspannungs-Wähleinheit 1c die Spannung aus, die durch das
Motorzuführspannungs-Angabesignal aus der
Motorzuführspannungs-Angabeeinrich
tung 1b ausgedrückt wird, und gibt das Motorzuführspannungs-Angabesignal
aus.
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Andererseits wählt in einem Bereich B, in dem der Motorstrom größer ist als
der dem vorbestimmten Wert Vref entsprechende Motorstrom, die
Motorzuführspannungs-Wähleinheit 1c die durch das P. I.-Berechnungssignal aus der
Stromsteuereinheit 1d ausgedrückte Spannung und gibt das P.
I-Berechnungssignal aus.
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Als Ergebnis kann die Motorzuführspannungs-Wähleinheit 1c den großen
Strom (Einschaltstrom), der beim Schalten dem Elektromotor 4 zuzuführenden
Spannung erzeugt wird, unterdrücken.
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Folglich steigt, wenn die Lenkoperation unterstützt wird, der Arbeitsöldruck
einhergehend mit dem Anstieg des im Elektromotor 4 fließenden Stroms an,
während der Motorstrom jedoch nicht den dem vorbestimmten Wert Vref
entsprechenden Wert übersteigt, wie Fig. 6C zeigt. Auf diese Weise wird der
Motorstrom innerhalb des Stromwerts gehalten, der dem vorbestimmten Wert Vref
entspricht. Zu dieser Zeit wird die Drehzahl der Hydraulikpumpe 5 gemäß Fig.
6B reduziert, und der Fluss der Arbeitsöls wird reduziert, wodurch der
Arbeitsöldruck nicht den Druck-Grenzwert der die Hydraulikpumpe 5 enthaltenden
Hydraulikschaltung übersteigt, wie in Fig. 6A das Detail-Schaubild des
Druckstroms des Arbeitsdrucks zeigt. Die detaillierte Entwicklung des Druckstroms
der Arbeitsöls gemäß Fig. 6A verläuft ähnlich derjenigen des Druckstroms des
Arbeitsöls, wenn gemäß Fig. 2A das Entlastungsventil 5b (siehe Fig. 1) betätigt
wird. Somit kann bei der Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung das
Entlastungsventil entfallen.
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Fig. 7 zeigt als Beispiel ein Schaltbild der Schaltung der Steuereinheit 1a, der
Motorsteuerschaltung 2 und der Motorstromdetektionsschaltung 3 bei der
Servolenkvorrichtung gemäß der Erfindung. Aus einem in dem Controller 1a
enthaltenen Mikrocomputer 13 wird ein Watch-dog-Impuls über eine
Differenzie
rungsschaltung 14 und eine Diode D1 an eine Energiequellen-IC-Schaltung 10
ausgegeben. Die Energiequellen-IC-Schaltung 10 gibt ein Rücksetzsignal an
den Mikrocomputer 13 aus, wenn sich der Watch-dog-Impuls in einem
anormalen Zustand befindet. Eine Energiequellenschaltung 11 enthält die
Energiequellen-IC-Schaltung 10 und einen PNP-Transistor Q1, dessen Schaltbetrieb
durch die Energiequellen-IC-Schaltung 10 gesteuert wird.
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Der Mikrocomputer 13 schaltet über NPN-Transistoren Q2 und Q3 eine Relais-
Steuerschaltung Ry1, deren Relais-Übergangspunkt ry1 den Elektromotor 4
ein- und ausschaltet. Die Relais-Steuerschaltung Ry1 ist mit einer
Energiequelle VIG verbunden, die beim Starten des Motors ausgeschaltet wird. Ferner ist
der Mikrocomputer 13 mit einer Schaltung 21 zum Detektieren eines Off-
Zustands der Energiequelle VIG verbunden und stoppt den Betrieb, wenn sich
die Energiequelle VIG im Off-Zustand befindet. Der Mikrocomputer 13 gibt den
Zielwert der dem Elektromotor 4 zuzuführenden Spannung durch ein
Digitalsignal mit 4 Bits aus. Das Digitalsignal wird von einem D/A-Konverter 20, der
eine Leiter-Schaltung aufweist, zu einem Analog-Spannungssignal
(Motorzuführspannungs-Angabesignal) S&sub2; konvertiert.
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Das Analog-Spannungssignal S&sub2; wird an einen invertierenden
Eingangsanschluss eines als Komparator vorgesehenen OP-Verstärkers 16 angelegt. Ein
nichtinvertierender Eingangsanschluss des OP-Verstärkers 16 empfängt eine
Sägezahnwelle, die in einem einen OP-Verstärker 15 aufweisenden
Multivibrator erzeugt wird, usw. Der OP-Verstärker 16 gibt ein Ausgangssignal, dessen
Ausgabezeit durch das Analogspannungssignal und die Sägezahnwelle
bestimmt wird, an einen NPN-Transistor Q5 aus. Der NPN-Transistor Q5 gibt das
Ausgangssignal und ein invertiertes PWM-(Impulsbreitenmodulations-)Signal
an einen FET-Transistor Q4 aus. Der FET-Transistor Q4 wird auf der Basis des
PWM-Signals geschaltet und bewirkt im On-Zustand einen Stromfluss zum
Elektromotor 4. Eine regenerative Diode D2 zum Strömenlassen eines
regenerativen Stroms ist dem Elektromotor 4 parallelgeschaltet.
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Zwischen dem FET-Transistor Q4 und der Masse ist ein Widerstand RS
angeordnet, wobei der im Elektromotor 4 fließende Strom anhand der Spannung
von den beiden Anschlüssen des Widerstands detektiert wird. Die Spannung
der beiden Anschlüsse des Widerstands RS wird über eine Glättungsschaltung
17 zwecks Verstärkung an einen nichtinvertierenden Eingangsanschluss eines
OP-Verstärkers 18 ausgegeben, wobei die verstärkte Spannung einem
Mikrocomputer 13 zugeführt wird. Der Mikrocomputer 17 gibt den Zielwert der dem
Elektromotor 4 zuzuführenden Spannung auf der Basis eines Signals
(Motorstromdetektionssignal) S1 aus, das dem im Elektromotor 4 fließenden Strom
ausdrückt, wobei das 4-Bit-Digitalsignal gemäß Fig. 5 eine niedrige Spannung
oder eine hohe Spannung ausdrückt. Das Digitalsignal wird in dem die Leiter-
Schaltung aufweisenden D/A-Konverter 20 zu dem Analog-Spannungssignal
(Motorzuführspannungs-Angabesignal) S&sub2; konvertiert.
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Das oben erwähnte Signal (Motorstromdetektionssignal) S1 wird ferner einem
invertierenden Eingangsanschluss eines OP-Verstärkers 22 zugeführt, der eine
Integralschaltung mit einem Kondensator C1 bildet. An einen
nichtinvertierenden Eingangsanschluss des OP-Verstärkers 22 wird der vorbestimmte Wert Vref
angelegt. Das durch Integration der Differenz zwischen dem vorbestimmten
Wert Vref und dem Motorstromdetektionssignal erhaltene Signal (P.
I.-Berechnungssignal) S&sub3; wird über eine umgekehrt geschaltete Diode D3 dem
invertierenden Eingangsanschluss des als Komparator vorgesehenen OP-Verstärkers
16 zugeführt. Die Diode D3 (Motorzuführspannungswähleinheit 1c) wählt aus
dem Motorzuführspannungs-Angabesignal S&sub2; und dem P. I.-Berechnungssignal)
S&sub3; das niedrigere aus und gibt das gewählte Signal an den invertierenden
Eingangsanschluss des OP-Verstärkers 16 aus.
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Da diese Erfindung in verschiedenen Formen ausgestaltet werden kann, dient
somit das vorliegende Ausführungsbeispiel der Veranschaulichung und ist nicht
einschränkend. Der Umfang der Erfindung ist nur durch die angefügten
Ansprüche definiert.