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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Aktuatorsteuerungstechniken
und insbesondere auf die Steuerung von Kraftempfindungen, die von
Aktuatoren in einer Force-Feedback-Schnittstellenvorrichtung
ausgegeben werden, wie dies mit den oberbegrifflichen Merkmalen
des Anspruches 1 bzw. 6 definiert ist.
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Derartige
Verfahren bzw. Schaltungen sind aus der
US 5,742,278 A bzw.
EP 0 081 374 A1 bekannt, wobei
die wechselseitige Austeuerung der Aktuatoren in Ruhestellung beschrieben
wird.
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Durch
Verwenden einer Schnittstellenvorrichtung kann ein Benutzer mit
einer von einem Computersystem angezeigten Umgebung in Dialog treten,
um Funktionen und Aufgaben auf dem Computer durchzuführen, beispielsweise
das Spielen eines Spiels, Erleben einer Simulation oder virtuellen
Wirklichkeitsumgebung, Benutzen eines computergestützten Gestaltungssystems,
Bedienen einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI) oder andersartiges
Beeinflussen von auf dem Bildschirm veranschaulichten Geschehnissen
oder Abbildungen. Übliche
Mensch/Computer-Schnittstellenvorrichtungen,
die für
einen derartigen Dialog verwendet werden, sind u. a. ein Joystick,
eine Maus, eine Rollkugel, ein Steuerrad, eine Art Stift (Stylus),
ein Tablett, eine druckempfindliche Kugel oder dergleichen, die
an das Computersystem angeschlossen sind, das die angezeigte Umgebung
steuert.
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Bei
einigen Schnittstellenvorrichtungen wird dem Benutzer auch eine
haptische Rückkopplung
oder taktile Rückkopplung
zur Verfügung
gestellt, die hierin allgemein als ”Force Feedback” bezeichnet
wird. Diese Arten von Schnittstellenvorrichtungen können körperliche
Empfindungen liefern, die von dem Benutzer, der den körperlichen
Gegenstand der Schnittstellenvorrichtung betätigt, gefühlt werden. Beispielsweise
kann der Wingman Force Joystick oder die Wingman Force Maus von
der Firma Logitech an einen Computer angeschlossen werden und gibt
Kräfte
an einen Benutzer der Steuerung ab. In der Vorrichtung werden ein
oder mehr Motoren oder andere Aktuatoren verwendet, die an das Steuerungscomputersystem
angeschlossen sind. Das Computersystem steuert die Kräfte auf
dem Handhabungsgerät
der Force-Feedback-Vorrichtung und/oder
auf dem Gehäuse
des Geräts
in Verbindung und koordiniert mit angezeigten Geschehnissen und
Dialogen auf dem Host, indem es Steuersignale oder Steuerbefehle
an die Force-Feedback-Vorrichtung und die Aktuatoren sendet.
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Bei
Force-Feedback-Vorrichtungen ist es wichtig, eine genaue Kontrolle über die
Kraftausgabe der Aktuatoren zu haben, so daß gewünschte Kraftempfindungen präzise zu
dem Benutzer transportiert werden. Typischerweise werden Aktuatoren
durch Steuern des Stroms durch den Aktuator gesteuert, wie z. B.
ein Gleichstrom-Bürstenmotor
oder ein Schwingspulenaktuator. Zu einer ersten Annäherung ist
die Drehmomentausgabe des Aktuators direkt proportional zum Aktuatorstrom.
Es gibt jedoch mehrere verschiedene Eigenschaften, die die Stromsteuerung
durch den Aktuator schwierig gestalten. Zu diesen Eigenschaften
gehören
die Temperaturschwankung der Spule in dem Aktuator, die Gegen-EMK (elektromotorische
Kraft) von der Benutzerbewegung des Handhabungsgeräts der Vorrichtung,
die Spannungsschwankung der Stromversorgung und die veränderliche
Spulenimpedanz (die sich mit der Temperatur und dem Strom ändert).
Die nichtlineare Kraftausgabereaktion von Aktuatoren in Bezug auf
den Befehlssignalpegel oder Arbeitszyklus kann Probleme bei der Bereitstellung
gewünschter
Kraftgrößen und
-empfindungen in Force-Feedback-Anwendungen verursachen, da die
Kraftgröße, die
an den Aktuator verfügt
wird, nicht notwendigerweise die Kraftgröße sein muß, die vom Aktuator tatsächlich an
den Benutzer ausgegeben wird.
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Neben
diesen Problemen gibt es einige Kernprobleme, die mit der Verwendung
eines Schaltmodus-Motorverstärkers
verbunden sind. Das bedeutendste dieser Kernprobleme für ein Force-Feedback-System ist mit dem
Null-Übergangspunkt
verbunden, d. h. der Stelle, wo die Strom- und Aktuator-Ausgabekraft
die Richtung wechselt. Das Grundproblem besteht darin, daß beim Ändern des
Steuerbefehls an den Aktuator von positiv auf negativ (oder negativ
auf positiv) eine Unterbrechung auftritt, wenn der Kraftsteuerbefehl
durch den Nullpunkt hindurch- oder nahe am Nullpunkt vorbeigeht.
Diese Unterbrechung im Aktuatorstrom führt zu einer Unterbrechung
in der Kraftausgabe und ist für
den Benutzer oft durchaus wahrnehmbar, was zu Brüchen in der Ausgabetreue der
Kraftempfindungen in Force-Feedback-Anwendungen führt.
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WESEN DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 bzw. 6 definiert, schafft
ein Verfahren und eine Schaltung zur Steuerung eines Aktuators,
um eine lineare und kontinuierliche Kraftausgabe an einen Benutzer
einer Force-Feedback-Vorrichtung
bereitzustellen. Die hierin beschriebenen Steuermerkmale ermöglichen
eine Minimierung der Unterbrechungen an Null-Kraft-Übergangsbereichen
bei gleichzeitiger Bereitstellung starker Kräfte an den oberen Bereichen
des Kraftbereiches und verringern die von vielen Aktuatoren erzeugte
nichtlineare Kraftausgabe in Bezug auf das Eingabebefehlssignal
an den Aktuator.
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Insbesondere
schließt
ein Verfahren zur Befehlssteuerung einer gewünschten Kraft von einem in
einer Force-Feedback-Vorrichtung vorgesehenen Aktuator die Bereitstellung
zweier Treibersignale ein, wobei jedes der Treibersignale einen
Stromfluß in
einer anderen Richtung in dem Aktuator veranlaßt und dadurch die Ausgabe
einer Kraft durch den Aktuator in zwei unterschiedlichen entsprechenden
Richtungen bewirkt. Wenn eine gewünschte auszugebende Kraft in
einem Übergangsbereich
unter einer vorbestimmten Schwellenkraft liegt, werden die zwei
Treibersignale für
jede Periode der Treibersignale abgewechselt, um einen entsprechenden Strom
in dem Aktuator zu veranlassen und dadurch die Richtung der gewünschten
Kraft für
jede der Perioden zu schalten. Wenn die gewünschte Kraft über der
vorbestimmten Schwellenkraft liegt, wird nur eines der Treibersignale
verwendet, um einen Strom in dem Aktuator in einer Richtung zu veranlassen
und die Ausgabe der gewünschten
Kraft in einer Richtung zu bewirken.
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Die
Treibersignale sind PWM-Treibersignale, und es ist ein Auswahlsignal
vorgesehen, um zwischen der Verwendung der zwei PWM-Treibersignale
und der Verwendung nur eines der PWM-Treibersignale zu wählen. Jedes
der PWM-Treibersignale
kann zwei Schalter in einer Aktuator-Brückenschaltung
steuern, die Strom an den Aktuator liefert. Das Auswahlsignal kann
durch eine Selektionsschaltung bereitgestellt werden, die ein Flipflop
und einen parallelen Widerstand aufweist. Eine Schaltung der vorliegenden
Erfindung zur Befehlssteuerung einer gewünschten Kraft von einem in
einer Force-Feedback-Vorrichtung vorgesehenen Aktuator schließt eine
Selektionsschaltung und eine Brückenschaltung
ein, die eine ähnliche
Funktionsvielfalt durchführen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
zur Steuerung eines Aktuators zum Ausgleichen einer nichtlinearen Ausgabe
des Aktuators schließt
das Bestimmen eines gewünschten
Befehlsstroms für
einen Aktuator ein, wobei der Befehlsstrom die Ausgabe einer gewünschten
Ausgabekraft durch den Aktuator veranlaßt. Der gewünschte Befehlsstrom wird mit
einem angenäherten
Punkt einer Charakterisierungskurve des Aktuators korreliert, wobei
die Charakterisierungskurve viele verschiedene Punkte enthält, die
in einer zuvor durchgeführten Charakterisierung
des Aktuators bestimmt wurden. Der angenäherte Punkt wird unter Verwendung
einer linearen Annäherung
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten der vielen verschiedenen
Punkte bestimmt und ausgehend von dem angenäherten Punkt der Charakterisierungskurve
ein geforderter Kommando-Arbeitszyklus bestimmt. Ein den bestimmten
Kommando-Arbeitszyklus
aufweisendes Treibersignal wird an den Aktuator angelegt, um den
Aktuator zur Ausgabe der gewünschten
Kraft zu veranlassen.
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Die
vielen verschiedenen Punkte der Charakterisierungskurve werden in
einer Nachschlagetabelle gespeichert, und es werden vorzugsweise
zumindest drei Punkte gespeichert, um zumindest zwei lineare Abschnitte
der Charakterisierungskurve bereitzustellen. Der Übergangsbereich
kann auch mit der Linearisierungsmethode realisiert werden, so daß abwechselnd
erste und zweite Treibersignale ausgegeben werden, um den Aktuator
anzutreiben, wenn die gewünschte
Ausgabekraft zwischen Null und einer Schwellenkraft liegt, wobei
ein linear angenäherter
Arbeitszyklus für
beide Treibersignale erhalten wird.
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Andere
Merkmale der vorliegenden Erfindung können zur Bereitstellung einer
lineareren Kraftausgabe implementiert sein. Beispielsweise können dem
Aktuator von einer Stromversorgung zugeführte Spannungsschwankungen
derart ausgeglichen werden, daß die
Aktuatorausgabe ungeachtet der Schwankungen linear ist. Eine Aktuatorstromänderung,
verursacht durch eine Gegen-EMK-Wirkung, die durch die Bewegung
eines Handhabungsgeräts
der Force-Feedback-Vorrichtung durch den Benutzer ausgelöst wird,
kann vorhergesagt werden. Die vorhergesagte Motorstromänderung
kann auf einer bestimmten Geschwindigkeit des Handhabungsgeräts basieren,
und das Treibersignal an den Aktuator kann dann in Übereinstimmung
mit der vorhergesagten Stromänderung
ausgeglichen werden. Schließlich
kann das Treibersignal basierend auf Temperaturinformationen eingestellt
werden, die eine Temperaturänderung
der Drahtspulen des Aktuators anzeigen, um eine durch eine Temperaturschwankung
in der Spulenwicklung verursachte Stromänderung in dem Aktuator auszugleichen
und die Ausgabe der gewünschten
Kraft zu veranlassen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Verfahren und Vorrichtungen bereit,
die die Aktuatorausgabe in einer Force-Feedback-Vorrichtung steuern, um eine linearere
und kontinuierlichere Ausgabe zu ermöglichen. Die über einem
Nullübergang
der Ausgabekraft auftretende diskontinuierliche Strom- und Ausgabekraft
wird mit der dualen Bereichssteuerung der vorliegenden Erfindung
minimiert. Die nichtlineare Ausgabe der Aktuatoren wird unter Verwendung
der Vorcharakterisierung des offenen Regelkreises und der linearen
Annäherung
der Aktuatorausgabe und anderer Techniken minimiert. Diese Merkmale
machen es möglich,
daß der
Aktuator in einer Force-Feedback-Vorrichtung
Kraftempfindungen mit größerer Wiedergabetreue
und größerem Realismus
vermittelt.
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Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
auf diesem Gebiet beim Durchlesen der folgenden Beschreibung der
Erfindung und beim Studium der einzelnen Figuren der Zeichnung klar
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Schnittstellenvorrichtung
und eines zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeigneten
Host-Computers;
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Selektionsschaltung
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Schaltung
für die
vorliegende Erfindung mit einer Selektionsschaltung nach 2 und
Brückenschaltungen
für zwei
Aktuatoren;
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4 ist
ein Graph zur Darstellung einer idealisierten Aktuatorkraft-Gangkurve
unter Verwendung der dualen Bereichssteuerung der vorliegenden Erfindung,
basierend auf der Eingabe des Arbeitszyklus Treibersignals;
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5 ist
ein Zustandsdiagramm, das die Zustandsformen der Treiber- und Auswahlsignale
für den Einzeltreiber-Steuerungsbereich
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Zustandsdiagramm, das die Zustandsformen der Treiber- und Auswahlsignale
für den Übergangssteuerungsbereich
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7a ist
ein Graph zur Darstellung einer typischen nichtlinearen Beziehung
zwischen Arbeitszyklus und Aktuatorstrom;
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7b ist
ein Graph zur Darstellung einer Linearisierung der vorliegenden
Erfindung einer Kurve, basierend auf einem nichtlinearen Ansprechen
eines Aktuators auf den Arbeitszyklus; und
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8 ist
ein Flußdiagramm
zur Darstellung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur
Steuerung der Treibersignale zur Bereitstellung einer linearen und
ruhigen Kraftausgabe des Aktuators.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Force-Feedback-Schnittstellensystem 10 zur
Verwendung mit der vorliegenden Erfindung darstellt und durch ein
Host-Computersystem gesteuert wird. Das Schnittstellensystem 10 schließt ein Host-Computersystem 12 und
eine Schnittstellenvorrichtung 14 ein.
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Das
Host-Computersystem 12 kann ein Personalcomputer sein,
wie z. B. ein IBM-kompatibler Personalcomputer bzw. ein Macintosh,
oder ein Arbeitsplatzrechner (Workstation) wie eine Workstation
von SUN oder Silicon Graphics. Alternativ kann das Host-Computersystem 12 eines
aus einer Vielfalt von Heimvideo-Spielsystemen
sein, wie z. B. Systeme, die von Nintendo, Sega oder Sony erhältlich sind,
ein Fernseh-”Aufsetzkasten” oder ein ”Netzrechner”, etc..
Das Host-Computersystem 12 implementiert vorzugsweise ein
Host-Anwendungsprogramm, mit dem ein Benutzer 22 über Peripheriegeräte und die
Schnittstellenvorrichtung 14 einen Dialog führt. Das
Host-Anwendungsprogramm
kann beispielsweise ein Video- oder Computerspiel, eine medizinische
Simulation, ein wissenschaftliches Analyseprogramm, ein Betriebssystem,
eine Graphik-Benutzerschnittstelle oder ein anderes Anwendungsprogramm
sein, das Force Feedback verwendet. Typischerweise liefert die Host-Anwendung
Bilder zur Anzeige auf einer Anzeige-Ausgabevorrichtung, wie unten beschrieben,
und/oder anderes Feedback wie akustische Signale.
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Das
Host-Computersystem 12 weist vorzugsweise einen Host-Mikroprozessor 16,
einen Taktgeber 18, einen Bildschirm 20 und eine
Akustikausgabevorrichtung 21 auf. Bei dem Mikroprozessor 16 kann
es sich um einen oder mehr eines beliebigen bekannten Mikroprozessortyps
handeln. In dem Host-Computer
sind vorzugsweise auch ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festspeicher
(ROM) und eine Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Elektronik enthalten. Der Bildschirm 20 kann
zur Anzeige von Bildern verwendet werden, die von dem Host-Computersystem 12 oder
anderen Computersystemen erzeugt werden, und kann ein Standardbildschirm,
eine Kathodenstrahlröhre
(CRT), ein Flachbildschirm, eine 3D-Brille oder irgendeine andere
Bildschirm-Benutzeroberfläche
sein. Die Akustikausgabevorrichtung 21, wie z. B. Lautsprecher,
ist vorzugsweise über
Verstärker,
Filter und andere dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte Schaltungen
an den Host-Mikroprozessor 16 angeschlossen
(z. B. in einer Soundkarte) und liefert die Tonausgabe von dem Host-Computer 12 an
den Benutzer 22. Andere Arten von Peripheriegeräten können ebenfalls
an den Host-Prozessor 16 angeschlossen sein, beispielsweise
Speichervorrichtungen (Magnetplattenlaufwerk, CD-ROM/DVD-ROM-Laufwerk,
Magnetdiskettenlaufwerk etc.), Drucker und andere Eingabe- und Ausgabegeräte. Die
Daten zur Implementierung der Schnittstellen der vorliegenden Erfindung
können
auf computerlesbaren Medien wie einem Speicher (RAM oder ROM), einer
Festplatte, einer CD-ROM oder DVD-ROM etc. gespeichert sein.
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Eine
Schnittstellenvorrichtung 14 ist durch einen bidirektionalen
Bus 24 mit dem Host-Computersystem 12 verbunden.
Der bidirektionale Bus sendet Signale in beide Richtungen zwischen
dem Host-Computersystem 12 und der Schnittstellenvorrichtung.
Ein Schnittstellenanschluß des
Host-Computersystems 12,
wie z. B. ein RS232- oder serieller USB-(universeller serieller Bus)-Schnittstellenanschluß, paralleler
Anschluß, Spiele-Anschluß (Gameport)
etc., verbindet den Bus 24 mit dem Host-Computersystem 12.
Alternativ kann eine drahtlose Kommunikationsverbindung verwendet
werden.
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Die
Schnittstellenvorrichtung 14 weist einen örtlichen
Mikroprozessor 26, Meßfühler 28,
Aktuatoren 30, einen Benutzergegenstand 34, eine
wahlweise Sensorschnittstelle 36, eine wahlweise Aktuatorschnittstelle 38 und
andere wahlweise Eingabevorrichtungen 39 auf. Der örtliche
Mikroprozessor 26 ist an den Bus 24 angeschlossen
und wird als örtlich
zur Schnittstellenvorrichtung 14 angesehen und dient der
Kraftrückkopplung
und Sensor-Ein/Ausgabe der Schnittstellenvorrichtung 14.
Der Mikroprozessor 26 kann mit Softwarebefehlen beliefert
werden, auf Steuerbefehle oder Anforderungen von dem Computer-Hauptrechner 12 warten, den
Steuerbefehl oder die Anforderung entschlüsseln und Eingangs- und Ausgangssignale
entsprechend dem Steuerbefehl oder der Anforderung verarbeiten/steuern.
Darüber
hinaus arbeitet der Prozessor 26 vorzugsweise unabhängig vom
Host-Computer 12, indem er Meßfühlersignale liest und die entsprechenden
Kräfte
aus diesen Meßfühlersignalen,
Zeitsignalen und gespeicherten oder übertragenen Befehlen berechnet,
die in Übereinstimmung
mit einem Host-Steuerbefehl ausgewählt wurden. Geeignete Mikroprozessoren
zur Verwendung als örtlicher
Mikroprozessor 26 sind u. a. beispielsweise der Immersion
Touchsense Prozessor von der Firma Immersion Corporation, der MC68HC711E9
von Motorola, der PIC16C74 von Microchip und der 82930AX von der
Intel Corporation. Der Mikroprozessor 26 kann einen Mikroprozessorchip
oder Mehrfach-Prozessoren und/oder Co-Prozessorchips und/oder Digitalsignalprozessor-(DSP)-Fähigkeit
aufweisen.
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In Übereinstimmung
mit Befehlen, die der Host-Computer 12 über den Bus 24 liefert,
kann der Mikroprozessor 26 Signale von den Meßfühlern 28 empfangen
und Signale an die Aktuatoren 30 der Schnittstellenvorrichtung 14 liefern.
In einer bevorzugten Ausführungsform
einer örtlichen
Steuerung liefert beispielsweise der Host-Computer 12 über den
Bus 24 höhere
Kontrollsteuerbefehle an den Mikroprozessor 26, und der
Mikroprozessor 26 leitet die niedrigen Kraftsteuerschleifen
an die Meßfühler und
Aktuatoren in Übereinstimmung mit
den höheren
Steuerbefehlen und unabhängig
vom Host-Computer 12. Das Force-Feedback-System stellt demzufolge eine
Informationsschleife der Host-Steuerung und eine Informationsschleife
der örtlichen
Steuerung in einem verteilten Steuersystem bereit. Der Mikroprozessor 26 kann
Steuerbefehle auch von beliebigen anderen auf der Schnittstellenvorrichtung 14 enthaltenen
Eingabevorrichtungen 39 erhalten, beispielsweise Knöpfe, und
liefert entsprechende Signale an den Host-Computer 12,
um anzuzeigen, daß die
Eingabeinformation und alle in der Eingabeinformation enthaltenen
Informationen erhalten wurden. An den Mikroprozessor 26 in
der Schnittstellenvorrichtung 14 ist vorzugsweise ein örtlicher
Speicher 27 angeschlossen, z. B. ein RAM und/oder ROM,
um Befehle für
den Mikroprozessor 26 zu speichern und temporäre und andere
Daten zu speichern. Darüber
hinaus kann ein örtlicher
Taktgeber 29 zur Lieferung von Taktdaten an den Mikroprozessor 26 angeschlossen
sein.
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Meßfühler 28 fühlen die
Position, Bewegung und/oder andere Merkmale eines Benutzergegenstands 34 der
Schnittstellenvorrichtung 14 längs einem oder mehr Freiheitsgraden
ab und liefern Signale an den Mikroprozessor 26, die diese
Merkmale darstellende Informationen enthalten. Es können rotierende
oder lineare optische Codeumsetzer, Potentiometer, Photodioden-
oder Photowiderstandsmeßfühler, Geschwindigkeitssensoren,
Beschleunigungssensoren, Dehnungsmeßfühler oder andere Arten von
Meßfühlern verwendet
werden. Die Meßfühler 28 liefern
ein elektrisches Signal an eine wahlweise Sensorschnittstelle 36, die
dazu benutzt werden kann, Meßfühlersignale
in Signale umzusetzen, die von dem Mikroprozessor 26 und/oder Host-Computersystem 12 gedeutet
werden können.
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Unter
Ansprechen auf die vom Mikroprozessor 26 erhaltenen Signale übertragen
die Aktuatoren 30 Kräfte
in einer oder mehr Richtungen entlang einem oder mehr Freiheitsgraden
an das Handhabungsgerät 34 der
Schnittstellenvorrichtung 14 und/oder übertragen Kräfte an das
Gehäuse
oder einen anderen Teil der Vorrichtung 14. Die Aktuatoren 30 können zweierlei
Typen umfassen: aktive Aktuatoren und passive Aktuatoren. Zu den
aktiven Aktuatoren gehören
lineare Stromregelmotoren, Schrittmotoren, pneumatische/hydraulische aktive
Aktuatoren, ein Drehmomenterzeuger (Motor mit begrenzter Winkelreichweite),
Schwingspulenaktuatoren und andere Arten von Aktuatoren, die eine
Kraft übertragen,
um ein Objekt zu bewegen. Als Aktuatoren 30 können auch
passive Aktuatoren verwendet werden, wie z. B. Magnetpulverbremsen,
Reibungsbremsen oder pneumatische/hydraulische passive Aktuatoren.
Die Aktuatorschnittstelle 38 kann wahlweise zwischen den Aktuatoren 30 und
dem Mikroprozessor 26 angeschlossen sein, um Signale vom
Mikroprozessor 26 in entsprechende Signale zum Antrieb
der Aktuatoren 30 umzusetzen.
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In
der Schnittstellenvorrichtung 14 können wahlweise auch andere
Eingabevorrichtungen 39 enthalten sein und Eingabesignale
zum Mikroprozessor 26 oder zum Host-Prozessor 16 senden.
Solche Eingabevorrichtungen können
u. a. Knöpfe,
Wählscheiben,
Schalter, Hebel oder andere Mechanismen sein. In Ausführungsformen,
wo der Benutzergegenstand 34 z. B. ein Joystick ist, können andere
Eingabevorrichtungen einen oder mehr Knöpfe aufweisen, die z. B. auf
dem Joystick-Griff oder Unterteil vorgesehen sind. An die Aktuatorschnittstelle 38 und/oder
Aktuatoren 30 kann wahlweise eine Stromversorgung 40 zur
Bereitstellung elektrischer Leistung angeschlossen sein. In der
Schnittstellenvorrichtung 14 ist wahlweise ein Sicherheitsschalter 41 zur Bereitstellung
eines Mechanismus zur Deaktivierung der Aktuatoren 30 aus
Sicherheitsgründen
enthalten.
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Das
Handhabungsgerät
(”Benutzergegenstand”) 34 ist
ein körperliches
Objekt, Gerät
oder Artikel, den ein Benutzer greifen oder andersartig berühren oder
steuern kann, und der an die Schnittstellenvorrichtung 14 angeschlossen
ist. Mit ”greifen” ist gemeint,
daß Benutzer
einen Abschnitt des Handhabungsgeräts in irgendeiner Form lösbar fassen,
berühren
oder greifen können,
z. B. mit der Hand, den Fingerspitzen oder, im Falle von Behinderten,
sogar mit dem Mund. Der Benutzer 22 kann den Gegenstand
entlang vorgesehener Freiheitsgrade betätigen und bewegen, um eine
Verbindung mit dem Host-Anwendungsprogramm herzustellen, das der
Benutzer gerade auf dem Bildschirm 20 betrachtet. Das Handhabungsgerät 34 kann
ein Joystick, eine Maus, eine Rollkugel, ein Stylus (z. B. am Ende
einer Verbindung), ein Steuerrad, eine Kugel, ein medizinisches
Instrument (Laparoskop, Katheter etc.), Billard-Queue (z. B. Bewegen
des Queue über
aktivierte Rollen), Handgriff, Griffknopf, Knopf oder anderes Objekt
sein. Zu den Mechanismen, die zur Bereitstellung der Freiheitsgrade
an den Benutzergegenstand verwendet werden können, gehören Tragrahmenmechanismen, Schlitzjochmechanismen,
Biegemechanismen etc.. Es können
verschiedene Ausführungsformen
geeigneter Mechanismen für
Force-Feedback-Vorrichtungen verwendet werden.
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Aktuatorsteuerung durch Abwechseln
von mehrerlei Treibersignalen
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Die
hierin erörterten
Gestaltungsformen sprechen mehrere der oben beschrieben Eigenschaften
und Probleme der Aktuatorsteuerung an und beseitigen oder reduzieren
die unerwünschten
Wirkungen, die diese Eigenschaften auf die Aktuatorausgabe in dem
Force-Feedback-System 10 haben.
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Die
hierin beschriebene Aktuatorschnittstelle 38 weist einen
Motorverstärker
für jeden
Aktuator 30 auf, der durch Ausgaben von dem örtlichen
Mikroprozessor 26 (oder alternativ durch den Host-Mikroprozessor 16) gesteuert
wird. Jeder Verstärker
wird auf Wegen gesteuert, wie nachstehend beschrieben, um glattere Null-Übergangspunkte
und eine einfachere, kostenwirksamere Linearisierung der Aktuatorausgabe
bereitzustellen.
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Steuersignale
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Der örtliche
Mikroprozessor
26 (oder Host-Mikroprozessor
16 in
einer Ausführungsform
mit einer Host-Steuerung) ist vorzugsweise mit einer Direktsteuerung über drei
Signale für
jeden Motorverstärker
ausgestattet. Die drei von dem Mikroprozessor ausgegebenen Signale
heißen
PWMA, PWMB und SELECT und werden in eine Brückenschaltung eingegeben, die
den Verstärker
mit diesen Mikroprozessorsignalen verbindet. Die Signale haben die
folgenden Funktionen mit Bezug auf die Brückenschaltung (siehe
3),
die einen Motor und vier Schalter aufweist (die vorzugsweise Treiber
sind, beispielsweise Transistoren wie z. B. FET), die einen Stromfluß durch
den Motor in der einen oder der anderen Richtung ermöglichen,
je nachdem, wie die vier Schalter gesteuert sind. Die Verwendung
von Schaltern zur Steuerung der Stromrichtung in Verstärkern ist
Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt.
| Signal | Funktion |
| PWMA | Dieses
Signal steuert die Schalter oben links/ unten rechts in der Brücke. Wenn
es an den Verstärker
angelegt wird, fließt
Strom in der ”positiven” Richtung. |
| PWMB | Dieses
Signal steuert die Schalter oben rechts/ unten links in der Brücke. Wenn
es an den Verstärker
angelegt wird, fließt
Strom in der ”negativen” Richtung. |
| SELECT | Dieses
Signal wird zur Auswahl verwendet, welches PWM-Signal an den Motor
angelegt wird. Es kann drei verschiedene Zustandsformen aufweisen:
hoch, niedrig und Tri-Zustand. |
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Basierend
auf diesen drei Eingaben gibt es zwei Ausgangssignale, die an den
Verstärker
angelegt werden: DRIVEA und DRIVEB. DRIVEA wird hoch angegeben,
damit Strom in positiver Richtung fließt, und DRIVEB wird hoch angegeben,
damit Strom in negativer Richtung fließt. Eine gleichzeitige Angabe
der beiden Signale DRIVEA und DRIVEB ist nicht gültig. Diese Signale sind dieselben
wie PWMA bzw. PWMB, außer
daß sie
durch den Zustand der Auswahlleitung ”gegattert” sind. Die Logik ist wie folgt:
| SELECT-Zustand | DRIVEA | DRIVEB |
| Hoch | Dieses
Signal ist identisch mit dem PWMA-Signal. | Dieses
Signal ist bei dieser Bedingung immer niedrig (inaktiv). |
| Niedrig | Dieses
Signal ist bei dieser Bedingung immer niedrig (inaktiv). | Dieses
Signal ist identisch mit dem PWMB-Signal. |
| Tri-Zustand
(nicht aktiv) | Dieses
Signal ist jede zweite hohe PWMA-Periode
hoch und sonst niedrig | Dieses
Signal ist jede zweite hohe PWMB-Periode
hoch und sonst niedrig |
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Steuerschaltung
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2 ist
ein schematisches Diagramm, das eine geeignete Selektionsschaltung 100 zur
Realisierung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Signale 102 werden
von dem steuernden Mikroprozessor ausgegeben, und die Signale 104 werden
an die Brückenschaltungsschalter
ausgegeben.
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Die
Schaltung gemäß 2 arbeitet
unter Verwendung der Signale von dem Mikroprozessor (wobei die SELECT-Leitung
hoch, niedrig oder nicht aktiv sein kann, z. B. hohe Impedanz) und
verarbeitet die Signale unter Verwendung der zwei UND-Tore 106 und 108,
des Flipflops 110, und des Widerstands 112. Wenn
die SELECT-Leitung hoch oder niedrig ist, gibt das Flipflop 110 ein
hohes bzw. niedriges Signal aus, um das PWMA- oder PWMB-Signal zu aktivieren. Wenn
die SELECT-Leitung im dritten Zustand ist, durchläuft die
umgekehrte Q-Ausgabe vom Flipflop 110 den Widerstand 112 und
wählt basierend
auf der Taktsignaleingabe an das Flipflop 110 abwechselnd
das PWMA-Signal
und das PWMB-Signal aus.
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Die
Schaltung 100 kann in einer Force-Feedback-Vorrichtung
mit zwei Aktuatoren zweimal dupliziert werden, dreimal bei drei
Aktuatoren etc., wobei jeder Aktuator eine für ihn reservierte Reihe von
DRIVEA- und DRIVEB-Signalen erhält.
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer Schaltung 130 unter
Einschluß der
Selektionsschaltung 100 gemäß 2 und einer
Brückenschaltung
für jeden
von zwei in einer Force-Feedback-Vorrichtung enthaltenen Aktuatoren.
Die Brückenschaltung 132 erhält die Signale
DRIVEA1 und DRIVEB1 von den UND-Toren 136 und 138,
die den Toren 106 und 108 der 2 entsprechen.
Das Signal DRIVEA1 veranlaßt
einen Stromfluß durch
den Motor 142 in einer Richtung und eine Kraftausgabe in
einer entsprechenden Richtung in dem Freiheitsgrad des Aktuators;
während
dies geschieht, ist das Signal DRIVEB1 niedrig. Die Schalter 140a und 140c sind
geschlossen, um diese Stromrichtung zu ermöglichen, während die Schalter 140b und 140d geöffnet sind.
In ähnlicher
Weise veranlaßt
das Signal DRIVEB1, wenn es hoch ist, einen Stromfluß und eine
Kraftausgabe vom Motor 142 in den entgegengesetzten Richtungen
wie wenn das Signal DRIVEA1 hoch ist, und das Signal DRIVEA1 ist
niedrig. Die Schalter 140b und 140d sind in diesem
Fall geschlossen, während
die Schalter 140a und 140c geöffnet sind. Die Schalter 140 sind
vorzugsweise Transistoren wie z. B. FET, wie dargestellt.
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In ähnlicher
Weise liefert eine Brückenschaltung 134 den
Betriebsstrom für
den zweiten Motor 144 ausgehend von den eingehenden Signalen
DRIVEA2 und DRIVEB2. Diese Signale sind von DRIVEA1 und DRIVEB1
abgetrennt und aus separaten PWM-Signalen
abgeleitet; dadurch kann jeder Motor unabhängig gesteuert werden. UND-Tore 146 und 148 wirken ähnlich wie
die Tore 106 und 108 von 2, und Schalter 150a, 150b, 150cund 150d arbeiten ähnlich wie
die Schalter 140, wie oben für die Brückenschaltung 132 beschrieben.
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Funktion
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Die
Kraftausgabe durch die Nullstrom-Befehlskreuzung soll möglichst
ruhig und linear sein, um irgendwelche unerwünschten ”Schalt”-Kräfte zu vermeiden oder zu reduzieren,
die die Kraftempfindungen beeinträchtigen, wie sie der Benutzer
der Force-Feedback-Vorrichtung erfährt. Um diese ruhige Ausgabe
zu erreichen, sind in der vorliegenden Erfindung zwei Steuerbereiche
vorgesehen: der ”Übergangs”-Bereich
und der ”Einzelantriebs”-Bereich.
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4 ist
ein Graph 200 zur Darstellung der Leistungskurven 202 und 204 für einen
idealen Aktuator, der eine Ausgangskraft (und den Strom in dem Aktuator)
liefert, die linear auf dem Eingangsarbeitszyklus basiert. Eine
Kurve 202 zeigt das an den Aktuator angelegte Signal DRIVEA,
und die Kurve 204 zeigt das an den Aktuator angelegte Signal
DRIVEB. Der Einzelantriebsbereich für das PWMA ist für positiv
gerichtete Kräfte auf
der rechten Seite des Graphs gezeigt, wobei nur das PWMA-Signal
als DRIVEA-Signal angelegt wird. Der Einzelantriebsbereich für das PWMB
für negativ
gerichtete Kräfte
ist in ähnlicher
Weise auf der linken Seite des Graphs gezeigt. Der Übergangsbereich
ist zwischen den zwei Einzelantriebsbereichen gezeigt, wobei die Signale
DRIVEA und DRIVEB beide ausgegeben werden, wie nachstehend erläutert (z.
B. wenn die SELECT-Leitung im Tri-Zustand ist). Wenn der Arbeitszyklus
für eines
der Signale hinaufgesetzt wird, wird der Arbeitszyklus für das andere
Signal heruntergesetzt. An einem Punkt P sind die Arbeitszyklen
der zwei Signale gleich, wodurch in beide Richtungen gleiche Kraftbeträge bereitgestellt
werden, die einander aufheben und tatsächlich eine Null Ausgabekraft
verursachen, wie sie der Benutzer erfährt. Die Breite des Übergangsbereichs ist
vorzugsweise so groß,
daß sie
eine Schaltausgabe über
den Bereich nahe der Null-Ausgabekraft und eine ruckfreie Ausgabe
liefert, wenn von einem Einzelantriebsbereich zum Übergangsbereich
und umgekehrt geschaltet wird.
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Im Übergangsbereich
wechselt das Verfahren die an die Brücke angelegten Antriebsleitungen
DRIVEA und DRIVEB in jeder PWM-Periode.
Dies wird durch Aufrechterhalten eines Tri-Zustands auf der SELECT-Ausgabe
erreicht. Das Ziel ist es, eine bessere Steuerung der Stromausgabe
für einen
niedrigen Strompegel zu gewinnen und ruhigere Übergänge durch den Null-Ausgabekraftpunkt
zu erreichen. Da die Stromantriebsrichtung bei jedem Zyklus umgeschaltet
wird, wird eine Situation geschaffen, wo die mittlere Stromausgabe
bei oder nahe Null ist und in jeder Richtung ruckfrei eingestellt
werden kann.
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In
jedem ”Einzelantriebs”-Bereich
wird der Verstärker
auf dieselbe Art und Weise angetrieben wie herkömmliche Schaltmodusverstärker. Nur
eine Seite der Brücke
ist aktiv, während
die andere Seite in einem inaktiven Zustand gehalten wird. Dies
wird dadurch erreicht, daß die
Auswahlleitung entweder hoch oder niedrig gehalten wird, wie in
obiger Tabelle vorgesehen. Dies sorgt dafür, daß entweder das PWMA-Signal
oder das PWMB-Signal angelegt wird, aber nicht beide PWM-Signale.
Zur Einstellung von Aktuatorstrom und Ausgabekraft wird der Arbeitszyklus
des aktiven Einzeltreibersignals heraufgesetzt und herabgesetzt.
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Dagegen
gibt es in der herkömmlichen
Ausführung
einer H-Brückenschaltung
zwei Hauptverfahren, die zur Steuerung der Brücke verwendet werden. Das erste
Verfahren treibt nur eine Seite der Brücke auf einmal mit Strom an
(z. B. ist eine Seite der Brücke
aktiv). Die Ausgangsgröße wird
durch den Arbeitszyklus eines einzigen Steuerungstreibersignals
gesteuert. Zur Änderung
der Richtungen der Ausgabekraft wird die aktive Seite der Brücke unter
Verwendung eines Richtungssignals umgeschaltet, und dasselbe Steuerungstreibersignal
an die andere Seite der Brücke ausgegeben.
Das Resultat ist, daß der
Verstärker
beim Wechsel der Ausgabekraftrichtung durch Null von der Stromsteuerung
in nur einer Richtung zur Stromsteuerung in der Gegenrichtung übergeht.
Dies kann erhebliche Unterbrechungen am Null-Übergangspunkt
erzeugen.
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Das
zweite herkömmliche
Verfahren stellt ebenfalls sowohl ein Amplitudensignal als auch
ein Richtungssignal bereit; beide Seiten der Brückenschaltung werden permanent
abwechselnd mit dem Signal angetrieben, und die Ausgabekraft wird
durch Wechseln des Arbeitszyklus und Vorzeichens des Richtungssignals gesteuert.
Wenn eine Richtung durch den Arbeitszyklus begünstigt wird, verschiebt sich
die Ausgabe des Aktuators in diese Richtung und umgekehrt. Das Problem
bei diesem Verfahren ist eine schwächere Ausgabekraft an den höher gesteuerten
Pegeln; da der Aktuator immer in beide Richtungen angetrieben wird,
ist die Kraft in einer Richtung begrenzt, und die maximale Kraftausgabe
ist geringer als bei der ersten Methode.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet ein anderes Verfahren. Bei niedrigen
Ausgangspegeln (dem Übergangsbereich)
wird die angetriebene Richtung auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis
gewechselt, um einen glatten Übergang
durch die Null-Ausgabekraft
zu erzielen, d. h. beide Seiten der Brücke werden durch Wechsel der
Antriebsrichtung bei jedem Zyklus ausgeglichen. Jede Richtung weist
ein zugeordnetes Treibersignal auf, wobei die Steuerungstreibersignale
wechselweise geschaltet werden. Wenn die gewünschte Kraft größer wird
und die Schwelle zwischen Übergangsbereich
und Einzelantriebsbereich überschreitet,
wird der Ausgang umgeschaltet, so daß nur eine Richtung durch ein
Treibersignal angetrieben wird (Einzelantriebsbereich). Dies ermöglicht eine
ruhige Steuerung des Ausgangsstroms ohne Einsatz eines Extrastroms
(der dem Ausgangsantrieb in der Tat schaden würde). Dadurch daß in der
Ausführung
der vorliegenden Erfindung beide Seiten der Brücke nahe Null gegeneinander
betrieben werden, tritt das normalerweise in Schaltmodusverstärkern vorhandene Stromkippen
nicht auf. Da der Arbeitszyklus für jedes PWM-Signal im Übergangsbereich halbiert wird,
wird der Arbeitszyklus jedes unbearbeiteten PWM-Signals vorzugsweise
verdoppelt, um ein PWM-Treibersignal des gewünschten Arbeitszyklus zu erhalten
und die Ausgabe an den Einzelantriebsbereich anzupassen.
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5 ist
eine graphische Darstellung 210 der oben als Zustandsdiagramm
Spannung:Zeit beschriebenen Signale, wobei die SELECT-Leitung entweder
einen hohen Zustand oder einen niedrigen Zustand aufweist. In diesen
Situationen ist nur eine Seite der Brückenschaltung angetrieben.
Das Einstellen der Auswahlleitung auf hoch oder niedrig sperrt das
Treibersignal zur anderen Seite. Dies ist der Einzelantriebsmodus,
in dem die Brücke
beim Anlegen einer Kraft überwiegend
verwendet wird, außer
wenn eine Kraftausgabe nahe Null erwünscht ist.
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Vor
dem Zeitpunkt L hat das SELECT-Signal einen hohen Zustand, was das
Anlegen des Signals PWMA an die Schalter oben links und unten rechts
in der Brückenschaltung
veranlaßt.
Dies verursacht die Ausgabe des Signals DRIVEA als PWMA-Signal,
wie gezeigt, und läßt Strom
in positiver Richtung durch den Aktuator fließen, um eine Kraftausgabe in
der entsprechenden Richtung zu bewirken. Nach der Strichlinie hat das
SELECT-Signal auf einen niedrigen Zustand gewechselt, was das Anlegen
des Signals PWMB an die Schalter oben rechts und unten links in
der Brückenschaltung
veranlaßt.
Dies verursacht die Ausgabe des Signals DRIVEB als PWMB-Signal und
läßt Strom
in negativer Richtung fließen,
um eine Kraftausgabe in der entgegengesetzten Richtung zu dem PWMA-Signal
zu bewirken.
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6 ist
eine graphische Darstellung 214 der Signale in einem Zustandsdiagramm
Spannung:Zeit, wobei das SELECT-Signal in einem dritten Zustand
ist (Tri-Zustand). In dieser Situation wechselt die Brücke die
aktiven Seiten, weil die Auswahlleitung im Tri-Zustand ist. Wenn
die Auswahlleitung nicht aktiv ist (hohe Impedanz), wird Q' an den Eingang D
des Flipflop angelegt. Dies bewirkt, daß die Ausgänge des Flipflop jedesmal kippen,
wenn eine ansteigende Kante am PWqMA vorkommt.
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Wie
gezeigt, bewirkt dies, daß das
Signal DRIVEA in jeder zweiten hohen Periode des PWMA-Signals hoch
ist und in den Perioden zwischen diesen hohen Perioden niedrig ist.
Dies bewirkt ferner, daß das
Signal DRIVEB in jeder zweiten hohen Periode des PWMB-Signals hoch
ist und in den Perioden zwischen diesen hohen Perioden niedrig ist.
Die Signale DRIVEA und DRIVEB sind also in wechselnden Perioden
hoch, was eine rasche Richtungsumschaltung des Motors im Übergangsbereich
bewirkt und eine mögliche
große
Umschaltkraft beim Wechsel der Ausgabekraftrichtung verhindert.
Des weiteren ist zwischen den Impulsen auf den DRIVE-Signalen eine
gewisse Zeit vorgesehen, um ein Schalten der Transistoren zu ermöglichen,
wodurch mehr Leistungseffizienz bereitgestellt wird.
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Linearisierende Aktuatorausgabe
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Das
Anlegen eines einfachen impulsbreitenmodulierten Ausgangswertes
an eine Aktuator-Antriebsschaltung wird gemeinhin nicht sehr übereinstimmende
Resultate über
den Ausgabekraftbereich des Aktuators ergeben. Aufgrund der Zeit,
die zur Bildung einer Spannung mit dem Strom benötigt wird, hält in vielen
Fällen die
Induktanz des Aktuators den durchschnittlichen Motorstrom sehr niedrig,
bis der Steuerungsarbeitszyklus sich der Halbzeit nähert. Wenn
der Arbeitszyklus über
50% steigt, steigt die Kurve, die das Verhältnis Arbeitszyklus:Aktuatorstrom
beschreibt, abrupt an und ist insgesamt noch nicht sehr linear.
Verschiedene Abschnitte der Kurve sind jedoch relativ linear.
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Die
vorliegende Erfindung kennzeichnet die Linearität der verschiedenen Abschnitte
der Kurve für
einen spezifischen Aktuator und verwendet dann die stückweise
lineare Annäherung,
um einen Aktuatorsteuerbefehl ausgehend von einem gewünschten
Aktuatorstrom zu generieren, d. h. die stückweise Linearisierung wird
auf einer Ausgabekennzeichnung eines Aktuators durchgeführt, um
zu bewirken, daß der
Ausgangsstrom durch den Aktuator hindurch bezüglich des berechneten Steuerbefehls
linear ist. Zuerst wird das Aktuatordrehmoment für einen spezifischen Aktuator
charakterisiert, um eine von dem Aktuator ausgegebene Drehmomentannäherung zu
kennen, wenn Steuerbefehle von verschiedenen Arbeitszyklen eingegeben
werden. Während des
Betriebs stellt die stückweise
Linearisierung die Steuerbefehlausgabe so ein, daß die Nicht-Linearität zwischen
dem Kommando-Arbeitszyklus und dem Ausgangsstrom beseitigt wird.
Durch Gestalten der Aktuatorleistung im Vorfeld besteht keine Notwendigkeit,
den Strom in dem Aktuator während
der Laufzeit zu messen, um den Arbeitszyklus in Art einer geschlossen
Schleife einzustellen. Zum Beispiel wird in vielen bestehenden Aktuatoren
der Strom in dem Aktuator (oder die Ausgabekraft, die dem allgemein
entspricht) während
der Laufzeit gemessen und zu dem Mikroprozessor oder einer anderen
Steuerschaltung in einem geschlossen Regelsystem rückgekoppelt,
so daß die
PWM-Ausgabe so eingestellt werden kann, daß der gewünschte Strom und die gewünschte Ausgabekraft
erzeugt werden. Dies ermöglicht
eine Kompensierung der Nicht-Linearität des Aktuators, erfordert
aber teuere Bauteile. Die Charakterisierung der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
die Verwendung eines offenen Steuersystems, welches die kostspieligeren
Teile eines geschlossenen Regelsystems nicht benötigt.
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Sowohl
im Übergangsbereich
als auch im Einzelantriebsbereich wird die stückweise Linearisierung vorzugsweise
für die
gewünschte
Ausgabekraft ausgeführt.
Diese Linearisierung erfolgt auf Basis des offenen Steuerkreises
auf einem Aktuatormodell oder einer Charakterisierung, die in einer
Testsituation vor der tatsächlichen
Laufzeit generiert wird. Mit anderen Worten, die Kraftausgabe des
Aktuators (oder im Aktuator fließender Strom) wird geprüft und an
verschiedenen Kommando-Arbeitszyklen aufgezeichnet und dann werden, basierend
auf den aufgezeichneten Kraft-(oder Strom)-Daten, einzelne Abschnitte
des Ansprechdiagramms geformt, die annähernd linear sind. In der Laufzeit
wird dann die gewünschte
Aktuatorkraft mit einem linearen Abschnitt der Steuerbefehlskurve
korreliert, um den erforderlichen Kommando-Arbeitszyklus zu bestimmen.
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Zum
Beispiel zeigt 7a einen Graph 220,
der die Beziehung zwischen dem tatsächlichen Strom in einem Aktuator
(vertikale Skala), der proportional zur Kraftausgabe des Aktuators
ist, und der Eingabe verschiedener PWM-Arbeitszyklen (horizontale
Skala) darstellt. Die Ansprechkurve 222 ist nichtlinear,
so daß die ausgegebene
Aktuatorkraft nicht einfach basierend auf einer linearen oder anderen
einfachen Beziehung mit dem eingegebenen Arbeitszyklus angenommen
werden kann. Zum Beispiel ergibt sich für fast die ganze untere Hälfte der
Arbeitszyklen (bis zum Punkt P1) ein sehr kleiner Aktuatorstrom
und eine sehr kleine Ausgabekraft aus dem Eingangsarbeitszyklus,
und es gibt nur eine geringe Strom- und Ausgabesteigerung, wenn
der Arbeitszyklus erhöht
wird. Nach dem Punkt P1 jedoch erhöht sich die Strom- und Kraftausgabe
bei einer Steigerung des Arbeitszyklus wesentlich schneller. Aber
selbst über
dem Punkt P1 weicht die Kurve erheblich von einer linearen Bahn
ab.
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Mehrerlei
Abschnitte der Kurve 222 sind jedoch annähernd linear.
Beispielsweise können
die Abschnitte zwischen den bezeichneten Punkten P1 und P2, den
Punkten P2 und P3, und den Punkten P3 und P4 auf der Kurve als gerade
Linien angenähert
werden. Eine stückweise
Linearisierung kann dort bereitgestellt werden, wo die bezeichneten
Punkte P1–P4
in einer Tabelle in einem Speicher, auf einer Magnetplatte oder einem
anderen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind und gewünschte Punkte
zwischen zwei aufeinanderfolgenden der Punkte P1–P4 oder außerhalb davon unter Verwendung
einer linearen Formel angenähert
werden können.
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7b zeigt
einen Graph 230, der die Linearisierung einer Kurve auf
der Basis eines nichtlinearen Ansprechens eines Aktuators auf den
Arbeitszyklus darstellt. Die vertikale Skala ist der verfügte Treiberarbeitszyklus
(am Aktuator gesehen) und die horizontale Skala ist die gewünschte Ausgabekraft
des Aktuators. Die Kurve PWMA deutet den Treiberarbeitszyklus des
PWMA-Signals bei verschiedenen gewünschten Ausgabekraftgrößen an.
Die Punkte R auf der Kurve sind Istpunkte aus dem nichtlinearen
Ansprechen des Aktuators, wie aus der in 7a gezeigten
Vorcharakterisierung des Aktuators bestimmt. Die Punkte zwischen
den Punkten R wurden linear angenähert. Wenn demzufolge eine
besondere Ausgabekraft des Aktuators erwünscht ist, bestimmt eine lineare
Annäherung,
welcher angenäherte
Arbeitszyklus verfügt
werden muß,
um diese Kraftausgabe zu erzielen.
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Die
stückweise
Annäherung
der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in Verbindung mit dem Übergangsbereich
und dem Einzelantriebsbereich der vorliegenden Erfindung erreicht,
wie oben beschrieben. 7b stellt den Übergangsbereich
und den Einzelantriebsbereich dar. Ein Abschnitt des Übergangsbereichs ist
zwischen dem Kraftpegel 0 und einer Schwellenkraft F gezeigt. Im Übergangsbereich
ist die PWMA-Kurve sowie ein Abschnitt einer PWMB-Kurve gezeigt, ähnlich wie
der in 4 gezeigte Übergangsbereich
des idealen Aktuators, wo beide PWM-Signale die Ausgaben wechseln. In diesem Übergangsbereich
ist eine direkte lineare Annäherung
der Kurve gemäß 7a wegen
des Vorhandenseins zweier Kurven nicht so geradlinig. Demnach können die
angenäherten
Punkte R und C2 der Kurven PWMA und PWMB im Übergangsbereich durch systematisches
Probieren empirisch bestimmt werden, z. B. durch Bestimmen von Arbeitszyklen,
die einen ruckfreien Übergang
von der Kurve des Einzelantriebsbereichs bereitstellen, oder durch
Verwenden eines zweidimensionalen Oberflächen-Kurvenbildes mit zwei
Variablen.
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Die
PWMA-Kurve macht an der Schwellenkraft F einen Schritt nach oben,
wo die SELECT-Leitung vom Tri-Zustand in einen hohen Zustand übergeht.
Der Punkt C1 ist Teil der Einzelantriebsbereich-Kurve, während der
Punkt C2 Teil der Übergangsbereich-Kurve
ist. Diese Stufe ist in der linearen Annäherungskurve bewußt eingeschlossen,
um die Induktanz im Aktuator auszugleichen. Da das Signal im Übergangsbereich
eine niedrigere Frequenz aufweist, wird für den gleichen Arbeitszyklus
mehr Strom bereitgestellt; zum Ausgleich dafür wird daher der Arbeitszyklus
heruntergesetzt. Der Punkt C2 wird vorzugsweise basierend auf der
Abstimmung des Stroms bei C2 mit dem Strom am Punkt C1 bestimmt,
um einen glatten Moduswechsel bereitzustellen.
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Der
Graph ist auf der linken Hälfte
der 0-Kraft-Achse vorzugsweise identisch, außer daß das PWMB-Signal ansteigt,
je weiter man sich von der 0-Achse wegbewegt (und enthält eine ähnliche
Stufe wie zwischen den Punkten C1 und C2), und das PWMA-Signal geht
an einem Schwellenwert von annähernd
-F gegen Null, ähnlich
wie der in 4 gezeigte Idealgraph.
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Vorzugsweise
ist eine die Arbeitszykluskurven PWMA und PWMB beschreibende Nachschlagetabelle in
einem Arbeitsspeicher oder anderen Speichermedium gespeichert, wie
z. B. dem örtlichen
Speicher auf der Force-Feedback-Vorrichtung, auf den der örtliche
Mikroprozessor zugreifen kann. Die Nachschlagetabelle speichert
die gewünschte
Kraft für
jeden Punkt R und den entsprechenden Arbeitszyklus für jeden
Punkt R sowohl für
die PWMA-Kurve als auch die PWMB-Kurve. Beide Punkte C1 und C2 sind
mit ihrem entsprechenden PWMA- und PWMB-Arbeitszyklus ebenfalls
in der Tabelle gespeichert. Für
die gewünschten
Kraftwerte im Einzelantriebsbereich ist einer der zugeordneten PWM-Kurvenwerte in der
Tabelle Null, da nur ein PWM-Signal in diesem Bereich angegeben
ist. Zum Beispiel sind alle PWMB-Arbeitszykluswerte
in der Tabelle für
gewünschte
Kraftwerte über
der Schwellenkraft F gleich Null. Nur eine Hälfte des gesamten Kraftbereiches,
z. B. nur der positive Bereich, wie in 7b gezeigt,
braucht gespeichert werden, da die Kurve in der anderen Hälfte des
Bereiches vorzugsweise identisch ist und rasch aus den vorhandenen
gespeicherten Punkten bestimmt werden kann. Zum Beispiel sind für den negativen
Abschnitt des Graphs anstelle der PWMB-Werte die PWMA-Arbeitszykluswerte
gleich Null.
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8 ist
ein Flußdiagramm
zur Darstellung eines Verfahren 280 zur Bestimmung der
PWMA- und PWMB-Werte und des Zustands der SELECT-Leitung unter Verwendung
einer linearisierten Nachschlagetabelle, wie oben beschrieben. Der
Prozeß beginnt
bei 282 während
der Laufzeit, wenn Kräfte
ausgegeben werden sollen. Im Schritt 284 bestimmt ein Mikroprozessor
oder eine andere Steuereinrichtung die von dem Aktuator auszugebende
gewünschte
Kraft. Dies kann ausgehend von einem erhaltenen Host-Steuerbefehl
oder -Wert, einer örtlichen
Routine oder einem Algorithmus oder anderen Verfahren bestimmt werden.
Wenn beispielsweise zwei angezeigte Objekte in einer graphischen
Umgebung kollidieren, wird basierend auf vorbestimmten Beziehungen,
Merkmalen der Objekte und anderen Faktoren eine gewünschte Kraft
berechnet, die dem Benutzer die Kollision haptisch aufzeichnet.
Im Schritt 286 findet der Mikroprozessor die zwei Kraftwerte in
der Nachschlagetabelle, die die gewünschte Kraft umgeben, d. h.
die zwei Werte, zwischen denen die gewünschte Kraft in der Tabelle
liegen würde.
Vorzugsweise wird der Absolutwert der gewünschten Kraft verwendet, da
nur der positive (oder negative) Kräftebereich in der Tabelle gespeichert
werden braucht, wie oben erläutert.
Im Schritt 288 werden die PWMA- und PWMB-Arbeitszykluswerte
aus der Tabelle abgerufen, der diese Umgebungskraftwerte zugeordnet
sind. Im Schritt 290 interpoliert der Prozeß linear
zwischen den PWMA-Werten,
um einen interpolierten PWMA-Wert zu finden, und interpoliert auf ähnliche
Weise linear zwischen den PWMB-Werten,
um einen interpolierten PWMB-Wert zu finden. Diese interpolierten
PWMA- und PWMB-Werte sind die resultierenden linear angenäherten Werte
des Arbeitszyklus für
jedes Signal.
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Zur
Bestimmung des Zustands der SELECT-Leitung führt der Prozeß beginnend
bei Schritt 292 die folgenden Schritte durch. Wenn die
gewünschte
Kraft (von Schritt 284) kleiner ist als Null, zeigt dies
an, daß sie
in entgegengesetzter Richtung zu positiven Kraftwerten verläuft, d.
h. es wird der negative Bereich des Graphs verwendet. Falls dies
so ist, werden in Schritt 294 die interpolierten Werte
für PWMA
und PWMB überlagert.
Nach dem Schritt 294 oder falls die gewünschte Kraft gleich 0 oder
größer ist,
wird Schritt 296 eingeleitet, in dem das Verfahren überprüft, ob der
interpolierte PWMA-Wert gleich Null ist. Falls ja, zeigt dies an,
daß der
Einzelantriebsbereich im negativen Bereich des Graphs verwendet
wird und daß das
PWMB-Signal zur Befehlssteuerung des Motors verwendet wird, d. h.
in der Brückenschaltung
sollten die Schalter B aktiviert sein. Demzufolge wird die SELECT-Leitung
im Schritt 298 auf einen niedrigen Zustand gesetzt, um
dem PWMB-Signal die Befehlssteuerung des Aktuators zu ermöglichen.
Wenn der interpolierte PWMA-Wert nicht Null ist, dann überprüft das Verfahren
in Schritt 300, ob das PWMB-Signal gleich Null ist. Falls
ja, wird der Einzelantriebsbereich im positiven Bereich des Graphs
verwendet, und das PWMA-Signal wird zur Befehlssteuerung des Motors
verwendet, d. h. in der Brückenschaltung
sollten die Schalter A aktiviert sein. Demzufolge wird die SELECT-Leitung
im Schritt 302 auf einen hohen Zustand gesetzt, um dem
PWMA-Signal die Befehlssteuerung des Aktuators zu ermöglichen.
Wenn der PWMB-Wert in Schritt 300 nicht gleich Null ist,
dann sind sowohl der PWMA- als auch der PWMB-Arbeitszyklus ungleich
Null, und der Übergangsbereich
ist aktiv. Demzufolge wird die SELECT-Leitung im Schritt 304 auf
den Tri-Zustand gesetzt. Nach einem beliebigen der Schritte 298, 302 und 304 werden
die interpolierten PWM-Arbeitszyklen
zur Ausgabe entsprechender PWM-Signale an die entsprechende Hardware
verwendet, um den Aktuator in Schritt 306 mit dem entsprechend
eingestellten SELECT-Status zu betreiben, und bei 308 ist
der Prozeß abgeschlossen.
Wenn noch eine Kraft durch den Aktuator ausgegeben werden soll,
wird das Verfahren wiederholt. Das obige Verfahren kann ganz oder
teilweise von einem Mikroprozessor oder einer anderen Schaltungsanordnung
durchgeführt
werden. Falls zusätzliche
Aktuatoren verwendet werden, z. B. zur Bereitstellung von Kräften in
anderen Freiheitsgraden als in einem Joystick mit zwei Freiheitsgraden,
dann kann der Prozeß für jeden
zusätzlichen
Aktuator dupliziert werden.
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Das
obige Verfahren ist insbesondere bei preiswerteren Vorrichtungen
von Nutzen, bei denen die Gegen-EMK kein signifikantes Problem ist
(siehe unten). Zum Beispiel können
einige Force-Feedback-Vorrichtungen vibrotaktile Kräfte auf
das Gehäuse
der Vorrichtung bereitstellen, wobei der Benutzer die Aktuatorachse
nicht verschiebt, wenn er das Handhabungsgerät bewegt. Einige Beispiele
für eine
derartige Vorrichtung sind Gamepads oder Mäuse, die einen umlaufenden
Exzentermotor oder vibrotaktilen Linearmotor einschließen, der
Vibrationen auf das Gehäuse
der Vorrichtung erzeugt. In einer derartigen Vorrichtung wird die
Welle des Motors vom Benutzer nicht bewegt, und daher werden keine
Gegen-EMK Kräfte
erzeugt, wodurch die oben beschriebene Linearisierung zur Vorhersage
der Aktuatorausgabe ziemlich genau möglich ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß das
oben beschriebene Linearisierungsverfahren auch mit anderen Aktuatorsteuerschaltungen
verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Aktuatoren in einer
bestimmten Force-Feedback-Vorrichtung
nicht unter Verwendung von PWM-Signalen angetrieben sein, können aber
trotzdem eine nichtlineare Ausgabekraft in Bezug auf den Eingangsstrom
oder die Eingangsspannung bereitstellen. Die Ausgabekraftkurve für einen
solchen Aktuator kann ähnlich
wie oben analysiert werden, um Punkte zu bestimmen, zwischen denen
die Kurve annähernd
linear ist. Zur Laufzeit kann eine Nachschlagetabelle bereitgestellt
sein, um den Ausgabewert in Art einer offenen Schleife zu linearisieren, ähnlich wie
bei der oben beschriebenen PWM-Linearisierung.
-
Andere Verfahren zur Linearisierung
der Aktuatorausgabe
-
Zur
Verbesserung der Linearisierung der Aktuatorausgabe können auch
andere Techniken anstelle der oben beschriebenen Verfahren oder
zusätzlich
dazu verwendet werden. Die oben beschriebenen Methoden beheben keine
Stromversorgungsschwankung, Temperaturschwankung oder die Gegen-EMK,
die durch die Benutzerbewegung erzeugt wird. Diese Wirkungen können in
wechselndem Ausmaß ausgeglichen
werden, wenn die Effekte vom Mikroprozessor oder einer anderen Steuerschaltung
entweder gemessen oder eingerichtet werden. Einige Techniken der
vorliegenden Erfindung zum Ausgleichen dieser Effekte sind nachstehend
beschrieben.
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Stromversorgungsausgleich
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Eine
Schwankung im Spannungspegel der Aktuator-Stromversorgung wird bei
bestehenden Force-Feedback-Vorrichtungen nicht typischerweise überwacht.
Wenn eine gut geregelte Stromversorgung verwendet wird, die z. B.
die Leistung nicht signifikant mit Belastung verändert und/oder eine niedrige
Wellenstromspezifikation aufweist, muß eine Schwankung in der Stromversorgung
kein Kernproblem sein. In anderen Ausführungen jedoch kann die Stromversorgungsspannung
in einem größeren Maße variieren.
Da der Aktuatorstrom sich fast linear zur Netzspannung verändert (bei
Annahme eines konstanten Arbeitszyklus-Steuerbefehls an einen Schaltmodusverstärker), können Schwankungen
in der Netzspannung unerwünschte
Schwankungen im Aktuatorstrom und damit in der Ausgabekraft verursachen.
Der Netzspannungspegel kann mittels eines Analog-Digital-Wandlers in der Aktuator-Schnittstellenschaltung
gemessen werden und dann die Steuerbefehlausgabe auf einen gewünschten
Wert aktualisiert werden, um eine mögliche Schwankung im Netzstrompegel
auszugleichen.
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Geschwindigkeit/Gegen-EMK-Ausgleich
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In
Ausführungsformen
der Force-Feedback-Vorrichtung mit Gleichstrommotoren, die durch
eine Übersetzung
mit dem Handhabungsgerät
verbunden sind (beispielsweise ein Übertragungssystem wie z. B.
ein Riemenantrieb, Zahnradgetriebe oder Capstan-Antrieb), können die
Motorgeschwindigkeiten sehr groß werden,
wenn der Benutzer das Handhabungsgerät bewegt. Dies führt zu einer
Situation, wo der Motorstrom (und damit die Motorleistungsenergie)
signifikant schwankt, wenn das Handhabungsgerät aufgrund der Gegen-EMK-Wirkung
in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
bewegt wird. Da die Geschwindigkeit des Handhabungsgeräts in einer
Force-Feedback-Vorrichtung typischerweise bereits gemessen wird
(beispielsweise zur Bestimmung von geschwindigkeitsabhängigen Kräften wie
z. B. Dämpfungskräfte), kann
diese abgefühlte
Geschwindigkeitsinformation auch dazu verwendet werden, die durch
die Bewegung des Handhabungsgeräts
durch den Benutzer verursachte Motorstromänderung vorherzusagen und die
vorhergesagte Stromänderung
dann in dem Steuerbefehl auszugleichen, der an den Motorverstärker angelegt
wird. Zum Beispiel können
in einer Ausführungsform
verschiedene Geschwindigkeiten des Handhabungsgeräts für verschiedene
Motorstromänderungen
und verschiedene Ausgleichswerte ausgearbeitet sein, die die PWM-Signale ändern, um
den EMK-Effekt auszugleichen.
Diese Beziehungen können
als Nachschlagetabelle gespeichert sein oder auf eine oder mehr
Formeln reduziert sein, falls möglich.
Die Richtung des Handhabungsgeräts
kann ebenfalls berücksichtigt
werden, falls die Richtung den Motorstrom ändert. Die Geschwindigkeit
des Handhabungsgeräts
wird dann während
des Betriebs der Vorrichtung abgetastet und der entsprechende Ausgleichswert
(oder PWM-Wert) bestimmt, um eine linearere Aktuatorausgabe bereitzustellen.
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Temperatur-Gestaltung/Messung
-
Wenn
höhere
Stromwerte durch einen Aktuator fließen, beginnt die Spulenwicklung
in dem Aktuator, sich aufzuheizen. Die Temperaturänderung ändert die
Impedanz der Spule und wirkt sich auf den durch sie hindurchfließenden Strom
aus. Die Spulentemperatur kann mit einem Temperaturmeßfühler gemessen
werden (oder einem anderen Meßfühler, der
ein Aktuatormerkmal mißt,
das proportional zur Temperatur ist), oder die Spulentemperatur
kann unter Verwendung bereits vorhandener Modelle auf Basis des
angesteuerten Stroms modelliert werden, so daß sie sich der momentanen Spulentemperatur
annähert.
Die Temperatur-Information oder -Schätzung kann mit einem Muster
der Impedanzabweichung mit der Temperatur zum Einstellen der Steuerbefehlsausgabe
verwendet werden, um den gewünschten
Strom und die gewünschte
Ausgabekraft zu erhalten. Zum Beispiel kann das Muster der Impedanzabweichung
durch eine Vorkennzeichnung der Impedanz des Aktuators vor der Laufzeit
erhalten werden.
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Zwar
ist diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden, es wird jedoch erwartet, daß diesbezügliche Veränderungen, Vertauschungen und Äquivalente
für Fachleute auf
diesem Gebiet beim Lesen der Beschreibung und Studieren der Zeichnungen
offensichtlich werden. Des weiteren ist die bestimmte Terminologie
zum Zwecke der darstellerischen Klarheit verwendet worden und nicht zur
Einschränkung
der vorliegenden Erfindung.
