对触觉反馈进行电子评估的控制元件

摘要

本发明涉及一种由控制元件构成的组件，该控制元件具有载体、可运动地支承在载体上的操纵部件、包括衔铁和线圈的电磁致动器，以便相对于载体运动地驱动操纵部件，其中，所述组件还具有：与电磁致动器导电连接的电子控制系统，以便在控制步骤中在预定的控制时长内用控制电压加载电磁致动器，使得产生触觉反馈；与电磁致动器导电连接的测量电路，以便测量施加在电磁致动器上的电流强度并且产生与之成比例对应的测量信号；以及至少与所述测量电路导电连接的评估单元，所述评估单元这样设计，即在与控制步骤在时间上错开的测量步骤中借助电子控制系统在预定的、相对于控制时长更短的测试时长内给电磁致动器加载测量电压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制元件，其具有载体、可运动地支承在载体上的操纵部件、包括衔铁和线圈的电磁致动器，以便相对于载体运动地驱动操纵部件，其中组件还具有与电磁致动器导电连接的电子控制系统，以便在控制步骤中在预定的控制时长内用控制电压来加载电磁致动器，以便产生触觉反馈。

背景技术

这种具有电磁致动器的控制元件通常具有这样的问题，即产生的触觉反馈(即碰撞或振动的强度)随机械公差、尤其是有关衔铁和线圈(可能是铁芯和衔铁)的相对位置的公差来改变，但也能够根据温度和空气湿度来改变。这一点是不希望出现的。因此在测试方法以及执行此方法的结构方面存在着需求，以便尽可能在不测量操纵部件的情况下探测到这种公差，并且必要时对相关的组件进行机械重调。此外还在控制方法以及相应的结构方面存在着需求，它们能够考虑触觉反馈的变化并且至少局部地补偿该变化，该变化例如是从致动器在运转时出现的机械变化中得出的或者由于外部影响(如温度和空气湿度)的变化而引起的。这些变化例如能够通过操纵部件的装配或支承中的过度加热或磨损引起。已示出，构造形式为扁平衔铁的电磁致动器尤其会碰到该问题，因为其有利的高的驱动力明显地随着衔铁和线圈之间的最小间距(＝静止间距)而变化。至少在运转过程中手动测量此间距是很困难的。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是，提供一种具有控制元件的组件，其中，改善了与所述控制元件相关的、通过致动器产生的触觉反馈，尤其能够在其效果上确定所述触觉反馈，以便能够检查该组件并且在需要时能够调整该组件。

此目的通过根据权利要求的组件得以实现。有利的构造方案分别是各从属权利要求的内容。同样有利的方法分别是各并列的权利要求的内容。应注意，在这些权利要求中单个阐述的特征能够以任意的技术上有意义的方式相互组合，并且用来阐述本发明的其它构造方案。尤其结合附图的描述额外地刻画和详细说明了本发明的特征。

本发明涉及一种由控制元件构成的组件、一种与所述电磁致动器导电连接的电子控制系统、一种与所述电磁致动器导电连接的测量电路以及一种至少与所述测量电路导电连接的评估单元。所述控制元件具有载体、可运动地支承在载体上的操纵部件以及电磁致动器。致动器包括衔铁和线圈，以便相对于载体运动地驱动操纵部件。根据优选的构造方案，致动器与复位件起相反的作用，复位件使操纵部件弹性地复位到其原始位置(以下称为静止位置)中。

按本发明设置的电子控制系统用来在控制步骤中在预定的控制时长内用控制电压来加载 电磁致动器，以便产生触觉反馈(haptic feedback)。测量电路设置得用来测量施加到电磁致动器上的电流强度并且用来生成与之成比例对应的测量信号。按本发明设置的评估单元这样设计，即在与控制步骤在时间上错开的测量步骤中借助电子控制系统在预定的、相对于控制时长缩短的测试时长内给电磁致动器加载测量电压，以便借助测量电路来测量在测试时长期间通过加载测量电压在电磁致动器上产生的电流强度，并且用来产生与之成比例对应的测量信号，并且借助测量信号来获得所述致动器的特征值。因此能够对按本发明的组件的功能进行检测。

特征值优选为例如在测试时长期间致动器的电感，更优选为其在静止位置中的电感。静止位置中的电感这一概念是指致动器的电感数值，如果操纵部件以及致动器例如由于惯性和摩擦效应正好还保留在静止状态中并且在离开所述静止位置之前还发挥作用，则会产生这样的电感。静止位置中的电感例如借助电流强度来估算，电流强度在测试时长期间通过加载测量电压产生。

测试时长优选这样选择，即使得不会通过致动器或其线圈产生饱和电流。饱和电流是指这样的电流强度，即从电流强度起在施加测量电压的情况下使线性的、基本上通过所述电感确定的、例如(幂指数的)电流上升情况不再出现，而在现在和后面的过程中主要通过欧姆电阻和所施加的电压高度来确定。

测试时长和所述测量电压优选这样进行选择，即未经操纵的操纵部件,在测量步骤中的加速度少于2.5g，优选少于1.5g，更优选少于0.5g。未经操纵的操纵部件指“可自由移动的”操纵部件，即指不是通过输入器件(如操作员的手指)的接触或操纵来加载的操纵器件。

根据优选的变形方案，测试时长少于5.0ms、优选少于2.0ms、更优选是1.0ms、最优选是0.5ms。

测量电压的最大值例如相当于控制电压的最大值。测量电压的最大值优选小于控制电压的最大值。

测量电压和/或控制电压优选构成为矩形信号，它们两个优选进行脉宽调制。

按优选的设计方案，评估单元和电子控制系统以导电方式连接，并且设计得用来根据在测量步骤中获得的特征值来改变控制时长和/或控制电压。因此能够修正触觉反馈，尤其能够平衡在运转过程中产生的有关触觉反馈的变化。

线圈和衔铁优选如此设置，使得衔铁在所有位置都设置在由线圈定义的容积之外并且优选构成为扁平衔铁。扁平衔铁这一概念在本发明的意义中是广义的，应该是指这种电磁致动器，即致动器原则上不埋入产生磁场的线圈的线圈内部中。尤其就造型而言，衔铁应该能够构成任意的形状。在线圈内部中例如还设置有铁芯磁极铁芯、例如铁芯，作为聚集磁场或使磁场定向的措施。

按优选的设计方案，在电磁致动器和评估单元之间和/或在电磁致动器和/或测量电路之间可拆卸地至少设置有导电连接。因此在需要时能够维修情况下对控制元件进行检查。

在结构简单的优选设计方案中，测量电路构成为分压器并且借助施加到分压器上的电压查出电流强度。借助模拟-数字-变换器(也称为模拟-数字-转换器)，由施加到分压器上的电压在在测试时长期间确定致动器的特征值。

电子控制系统和/或评估单元优选固定在控制元件上，由此构成按本发明的组件的固定的组成部分。

本发明还涉及一种测试方法。该测试方法包括控制元件的准备步骤，控制元件具有载体、可运动地支承在载体上的操纵部件、包括衔铁和线圈的电磁致动器，以便相对于载体运动地驱动操纵部件。

在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中提供了与电磁致动器导电连接的电子控制系统，以便给致动器加载测量电压。在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中还提供了与电磁致动器导电连接的测量电路，以便测量施加到电磁致动器上的电流强度并且产生与之对应的测量信号。在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中还提供了至少与测量电路导电连接的评估单元。

在前述准备步骤之后的步骤中，借助电子控制系统在预定的测试时长内给电磁致动器加载测量电压，在时间上平行的测量步骤中，借助测量电路来测量在测试时长结束时通过加载测量电压在电磁致动器上产生的电流强度，并且产生与所测电流强度对应的测量信号。在随后的评估步骤中，评估单元对测量信号进行评估并且分配代表电磁致动器的数值。特征值例如指致动器的电感。特征值优选指致动器在静止位置中的电感。通过按本发明的测试方法，能够相对简单地且尤其在运转过程中对按本发明的结构进行功能检测。

测试时长优选这样选择，即不会通过致动器或其线圈产生饱和电流。饱和电流是指这样的电流强度，即从电流强度起在施加测量电压的情况下使线性的、基本上通过电感确定的电流上升情况不再出现，而在现在和后面的过程中主要通过欧姆电阻和所施加的电压高度来确定。

在测试方法中测试时长和测量电压优选还这样进行选择，即未经操纵的操纵部件在测量步骤中的加速度少于2.5g、优选少于1.5g、更优选少于0.5g。未经操纵的操纵部件指“可自由移动的”操纵部件，即指不是通过输入器件(如操作员的手指)的接触或操纵来加载的操纵器件。

还根据本发明的测试方法的另一构造方案，在跟在评估步骤之后的最后的调校步骤中，根据特征值来改变(修改或调校)衔铁和线圈的相对结构。

本发明还涉及一种具有以下步骤的控制方法，其也称为适应性控制方法。测试方法包括 控制元件的准备步骤。控制元件具有载体、可移动地支承在载体上的操纵部件、包括衔铁和线圈的电磁致动器，以便相对于载体移动地驱动操纵部件。

在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中提供了与电磁致动器以导电方式连接的电子控制系统，以便给致动器加载控制电压和测量电压。

在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中还提供了以导电方式与电磁致动器连接的测量电路，以便测量施加到电磁致动器上的电流强度并且产生与之对应的测量信号。

在另一随后的、同时的或时间上处于前面的准备步骤中还提供了至少与测量电路以导电方式连接的评估单元。

在前述准备步骤之后的步骤中，借助电子控制系统在预定的测试时长内给电磁致动器加载测量电压。在时间上平行的测量步骤中，借助测量电路来测量在测试时长期间通过加载测量电压在电磁致动器上产生的电流强度，并且产生与所测电流强度对应的测量信号。在随后的评估步骤中，评估单元对测量信号进行评估并且分配代表电磁致动器的数值。特征值例如指致动器的电感。特征值优选指致动器在静止位置中的电感。

在下一个步骤中，借助特定控制电压和/或特定控制时长的特征值，例如与预先设定的数值的对比(通过评估单元)来确定。

在下一个步骤中，借助特定控制电压和特定控制时长中的至少一个通过电子控制系统来控制电磁致动器。控制步骤例如由于探测到操纵部件的接触和操纵而触发。

因此通过按本发明的控制方法，能够在不干预致动器的情况下，尤其在不改变衔铁和线圈的相对布局关系的情况下，通过改变控制电压和/或控制时长尤其在运行过程中就能够实现调节和控制。

根据方法的优选方案规定，其中测试时长比控制时长短，尤其比特定的控制时长短。

测试时长优选这样选择，即不会通过致动器或其线圈产生饱和电流。饱和电流是指这样的电流强度，即从电流强度起在施加测量电压的情况下使线性的、基本上通过电感确定的电流上升情况不再出现，而在现在和后面的过程中主要通过欧姆电阻和所施加的电压高度来确定。

测试时长和测量电压优选这样进行选择，即未经操纵的操纵部件在测量步骤中的加速度少于2.5g、优选少于1.5g、更优选少于0.5g。未经操纵的操纵部件指“可自由移动的”操纵部件，即指不是通过输入器件(如操作员的手指)的接触或操纵来加载的操纵器件。

根据优选的变形方案，测试时长少于5.0ms、优选少于2.0ms、更优选是1.0ms、最优选是0.5ms。

按本发明的装置和按本发明的控制方法优选应用在机动车中。

附图说明

本发明的这些和其它目的、优点和特征结合示意图、从对本发明的优选实施例的以下详细说明中得出。

图1是根据本发明所述组件的实施例；

图2是根据本发明所述测试方法的示例；

图3是根据本发明第一实施例的所述控制方法的示例；

图4是根据本发明第二实施例的所述控制方法的示例；

图5是根据本发明所述测量电路的示例。

具体实施方式

图1示出了按本发明的组件的设计方案。该组件具有控制元件1。该控制元件1包括操纵部件2，该操纵部件在面向操作员的表面上定义出操纵面11。操纵部件2相对于载体5可移动地受支承。此外，在载体5和操纵部件2之间设置有形式为弹簧的复位件10，以便将操纵部件2弹性复位到在图1中所示的静止位置中。此外，设置有电磁致动器12，以便可与复位件的作用方向相反地将操纵部件2从静止位置中驱动出来。电磁致动器12具有在载体侧的、由电导体构成的线圈6以及在操纵部件侧的、优选为铁磁的衔铁3，在线圈与衔铁之间构造有空气间隙。有电流流经的线圈6与衔铁3一起作用，对操纵部件2进行驱动。致动器12具有抓住线圈6的铁芯磁极铁芯4，以便聚集和引导通过线圈6产生的磁场。在操纵部件侧的衔铁3构成为扁平衔铁。致动器12设置得用来以马达方式驱动操纵部件2，以便通过操作面11的运动在接触操纵面11的操作员手指下方为操作员产生触觉反馈。致动器12的驱动力并因此触觉反馈的作用主要通过空气间隙的净间距d确定，即在静止状态下铁铁芯4和衔铁3之间的净间距。该从与静止状态相关的间距d的变化导致了致动器的工作点的移动，因为致动器的力与间距d呈幂指数关系，组件1对该间距d的偏差反应敏感。

通过电子控制系统7实现了由致动器12引起的马达式驱动，该电子控制系统给致动器12的线圈6加载控制电压。如同前面阐述的一样，致动器12的效果取决于净间距d。按本发明，该间距d间接地通过致动器12的电感确定。为此，设置有与电子控制系统7导电连接的测量电路9以及与它们两个导电连接的评估单元8。它们设计成用来执行按本发明的测试方法，例如在安装按本发明的控制元件1之后(如图2所示)、但也在运转进行时如何能够在产生触觉反馈(其是通过操纵或接触引起的)期间执行此测试方法。为此，将简短的脉冲、优选矩形脉冲给到具有测量电压的致动器12上。由于惯性，操纵部件2连同衔铁3只能非常轻微地移动。在此，在测试时长之后通过衔铁12的线圈6产生的电流强度尤其取决于电感，即最终取决于衔铁3和与该线圈6相关的铁芯磁极铁芯4之间的净间距d。在测试时长期间产生的电流强度或者至少随后产生的电流强度(电流还以几乎相同的强度流动一定时间)是电感的度量并且通过测量电路9测量，由此获得的测量信号通过评估单元8进行评估。测量电路9例如是用来测量电流强度的分路。

优选借助分压器来测量，以便产生与电流以比例对应的测量信号，在图5中示出了包含这种分压器的测量电路9。通过测量电路9产生的测量信号用来给评估单元8分配致动器的特征值，优选分配静止状态下的电感。静止状态下的电感这一概念应这样理解，即至少指操纵部件2以及致动器12处于静止状态时的状态。测试时长优选这样选择，即不会通过致动器或其线 圈产生饱和电流。为此，发出简短的脉冲、优选矩形脉冲给到具有测量电压的致动器12上。由于惯性，操纵部件2连同衔铁3只能非常轻微地移动。在此，在测试时长之后通过衔铁12的线圈6产生的电流强度还取决于衔铁3和与该线圈6相关的铁芯磁极铁芯4之间的净间距。对该间接确定的净间距(作为用于致动器12的特征值)与预先设定的数值通过评估单元8在步骤S4中进行比较。如果不存在最低限度的一致性，则在步骤S6中手动地调校衔铁3和线圈6或铁芯的相对布局关系。能够重复地应用该测试方法，以便达到最佳的效果并因此达到最大的触觉反馈。

在可选的步骤S5中，还应用了按本发明的控制方法，其也称为适应性控制方法，为此根据测量的间距d、尤其根据预先设定的间距与测得的间距d之间的偏差来改变控制电压、尤其是控制电压脉冲。

借助图3和描述了按本发明的控制方法的实施例。在步骤S6中启动电子控制系统的组件之后，例如在接通机动车的发动机控制器之后，在按本发明的控制方法的测量步骤S7中测量致动器的电感耦合，如同前面在测试方法中描述的那样。根据在测量步骤S7中获知的特征值，通过与电子控制系统共同作用的评估单元在步骤S8中调节控制电压、尤其是控制电压脉冲。

在图4中描述了按本发明的控制方法的变型，通过信号在步骤S9中触发式地执行此控制方法。例如循环地进行该触发。在假设电感恒定不变的情况下，流经致动器的电流以及由致动器12产生激励力的强度还取决于控制电压和线圈6的欧姆电阻。该控制电压、例如机动车的整车电压在运行时可能会有波动。此外，线圈电阻还由于温度或其它原因而具有波动。为了改善触觉反馈，在步骤S10中将简短的脉冲、优选矩形脉冲发出到具有测量电压的致动器12上。由于惯性，操纵部件2连同衔铁3只能非常轻微地移动。在此，在测试时长之后出现的且在步骤S11测得的电流强度通过致动器12的线圈6产生致动器12的特征值，该特征值通过评估单元在步骤S12中与预先设定的数值进行比较。通过比较以及重复地执行步骤S10、S11和S12，尤其在改变控制参数如控制时长时，并且在与预先设定的数值比较时，借助查找表格获得这种用来控制致动器的控制时长，在此对期望的控制情况以及触觉反馈的强度进行调节，并因此在步骤S13中不再迭代执行步骤S10、S11、S12，以便在步骤S14中借助前面获得的数值来执行另外的操控，所述操控通常已经由于探测到在操纵部件2的操作面12上接触或操纵操纵部件而触发。因此通过按本发明的控制方法，通过改变控制情况(如控制电压和/或控制时长)能够至少局部地平衡例如由于温度和汽车电源电压的变化产生的触觉反馈的变化。

借助图5和描述了按本发明的测量电路9。致动器12的电感通过感应电阻L来体现。该测量电路包括两个晶体管T1和T2，以便可选地借助晶体管T1给该致动器加载脉宽调制的控制电压，并且借助晶体管T2给该致动器加载脉宽调制的测量电压。一方面通过施加在晶体管T1上的控制电压IAnsteuer来调制由供应电压V构成的控制电压，一方面通过施加在晶体管T2上的测量电压UMess来调制由供应电压V构成的测量电压。在测量步骤中以截止的方式接通晶体管T1，相反在控制步骤中对晶体管T2进行截止。对于测量步骤中接通的晶体管T2来说，在欧姆电阻R上出现了电压降，以相对于供电电压V降低施加在致动器12、在此是线圈L、6上的测量电压。相关联的电流强度通过配属于评估单元8的模拟-数字-转换器ADC获知，为此确定在分压器上在电阻R上下降的电压，该分压器是由电阻R和线圈6的电感L构成。