DE102012219244A1 - Method of power controller of electrical consumer with power output stage, involves changing duty ratio of pulse width modulation (PWM) so that actual output power correspond to target power - Google Patents

Method of power controller of electrical consumer with power output stage, involves changing duty ratio of pulse width modulation (PWM) so that actual output power correspond to target power Download PDF

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Abstract

The method involves forming a period of the pulse width modulation (PWM) of a switch-on, a switch-off and two edge areas. The voltage curve is determined by the electrical load (19). The current flow is detected by the electrical load. The actual performance in the electrical load is determined by the voltage waveform and the current waveform. The actual power is compared with a predetermined desired power. The duty ratio of the pulse width modulation is changed so that the actual output power correspond to the target power. An independent claim is included for a device of power controller of electrical consumer.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers mit einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungssteuerung über eine Pulsweiten-Modulation (PWM) mit einem einstellbaren Tastverhältnis erfolgt, wobei eine Periode der Pulsweiten-Modulation aus einem Einschaltbereich, einem Ausschaltbereich und zwei Flankenbereichen gebildet wird und wobei ein Spannungsverlauf über dem elektrischen Verbraucher ermittelt wird.The invention relates to a method for controlling the power of an electrical load with a power output stage, wherein the power control via a pulse width modulation (PWM) with an adjustable duty cycle, wherein a period of the pulse width modulation of a power-on, a Ausschaltbereich and two edge regions is formed and wherein a voltage profile over the electrical load is determined.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers mit einer mit einer Pulsweiten-Modulation (PWM) mit einem einstellbaren Tastverhältnis angesteuerten Leistungsendstufe wobei eine Periode der Pulsweiten-Modulation durch einen Einschaltbereich, einen Ausschaltbereich und zwei Flankenbereiche gebildet wird, und wobei die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung eines Spannungsverlaufs über dem elektrischen Verbraucher enthält.The invention further relates to a device for power control of an electrical load with a pulse width modulation (PWM) with an adjustable duty cycle controlled power output stage wherein a period of the pulse width modulation is formed by a power-on, a Ausschaltbereich and two edge regions, and wherein the device Contains means for determining a voltage waveform over the electrical load.

Zur Einstellung einer Leistung, einer effektiven Spannung oder eines effektiven Stroms ist es bekannt, elektrische Verbraucher über eine Pulsweiten-Modulation (PWM) anzusteuern. Dabei wird eine Versorgungsspannung des elektrischen Verbrauchers in einem vorgebbaren Tastverhältnis (TV) ein- und ausgeschaltet. Über das Verhältnis der Einschalt- zur Ausschaltdauer können die effektive Spannung und der effektive Strom und über diese die dem Verbraucher zugeführte elektrische Leistung eingestellt werden. Der Schaltvorgang kann über eine mit dem Tastverhältnis angesteuerte Leistungsendstufe erfolgen. Das Tastverhältnis kann dabei geregelt oder gesteuert vorgegeben werden. To set a power, an effective voltage or an effective current, it is known to drive electrical consumers via a pulse width modulation (PWM). In this case, a supply voltage of the electrical load in a predetermined duty cycle (TV) on and off. The ratio of the switch-on to the switch-off duration can be used to set the effective voltage and the effective current and, via this, the electrical power supplied to the load. The switching process can take place via a power output stage controlled by the duty cycle. The duty cycle can be specified regulated or controlled.

Die Einstellung des Tastverhältnisses erfolgt bei gesteuerten Systemen unter der Annahme eines idealen Verhaltens der verwendeten elektronischen Bauteile und somit des zeitlichen Verlaufs der dem Verbraucher zugeführten Spannung. Es wird von einer rechteckförmigen Ausgangsspannung der Leistungsendstufe der Pulsweitenmodulation ausgegangen und die effektive Spannung über dem elektrischen Verbraucher wird aus der Batteriespannung und dem Tastverhältnis unter dieser Annahme berechnet. Abweichungen von diesem idealen Verhalten, beispielhaft durch eine begrenzte Flankensteilheit der elektronischen Schaltelemente oder durch Verzögerungszeiten, wirken sich unmittelbar auf die dem Verbraucher zugeführte Leistung beziehungsweise auf den effektiven Strom und die effektive Spannung aus. Die Abweichungen können dabei im, gegebenenfalls durch Bauteiltoleranzen unterschiedlichen, Ansprechverhalten der verwendeten elektronischen Bauteile begründet sein. Die Flankensteilheit kann zusätzlich durch Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) begrenzt sein. Bei zunehmender Flankensteilheit der abgegebenen Pulse nehmen auch die leitungsgebundenen und nicht leitungsgebundenen hochfrequenten Emissionen zu. Dies kann zu unerwünschten Beeinflussungen anderer Baugruppen führen. The adjustment of the duty cycle takes place in controlled systems, assuming an ideal behavior of the electronic components used and thus the time course of the voltage supplied to the consumer. It is assumed that a rectangular output voltage of the power output stage of the pulse width modulation and the effective voltage across the electrical load is calculated from the battery voltage and the duty cycle under this assumption. Deviations from this ideal behavior, for example by a limited slope of the electronic switching elements or by delay times, have an immediate effect on the power supplied to the load or on the effective current and the effective voltage. The deviations can be justified in the, possibly by component tolerances different, response of the electronic components used. The edge steepness can additionally be limited by requirements in terms of electromagnetic compatibility (EMC). With increasing edge steepness of the emitted pulses, the line-bound and non-line-bound high-frequency emissions also increase. This can lead to undesirable influences on other modules.

Abweichungen von dem idealen Verhalten wirken sich besonders stark bei kleinen Tastverhältnissen der Pulsweiten-Modulation aus. Kleine Tastverhältnisse können sich beispielsweise dadurch ergeben, dass elektrische Verbraucher mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen betrieben werden. In der Schrift R.343842 der Anmelderin werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, in denen bei dem Verfahren zur Leistungssteuerung oder Spannungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers mit Hilfe einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungssteuerung oder Spannungssteuerung über eine Pulsweiten-Modulation (PWM) mit einem einstellbaren Tastverhältnis erfolgt und wobei eine Periode der Pulweiten-Modulation aus einem Einschaltbereich, einem Ausschaltbereich und zwei Flankenbereichen gebildet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsverlauf über dem elektrischen Verbraucher ermittelt wird, dass aus dem Spannungsverlauf eine tatsächliche effektive Spannung über dem elektrischen Verbraucher berechnet wird, dass die tatsächliche effektive Spannung mit einer vorgegebenen effektiven Sollspannung verglichen wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation derart verändert wird, dass die tatsächliche effektive Spannung der vorgegebenen effektiven Sollspannung entspricht. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine präzise Leistungssteuerung bei Verbrauchern mit einem zeitlich konstanten bekannten elektrischen Widerstand.Deviations from the ideal behavior have a particularly strong effect on small duty cycles of the pulse width modulation. Small duty cycles may arise, for example, in that electrical consumers are operated with different supply voltages. In the applicant's R.343842 a method and a device are described, in which in the method for power control or voltage control of an electrical load by means of a power amplifier, wherein the power control or voltage control via a pulse width modulation (PWM) with an adjustable duty cycle and wherein a period of the pulse width modulation is formed of a switch-on, a switch-off and two edge regions. The method is characterized in that a voltage curve is determined across the electrical load, that an actual effective voltage across the electrical load is calculated from the voltage curve, that the actual effective voltage is compared with a predetermined effective setpoint voltage, and that the duty cycle of the pulse widths Modulation is changed such that the actual effective voltage corresponds to the predetermined effective target voltage. The method and apparatus allow precise power control in consumers with a time constant known electrical resistance.

Abgassonden, beispielhaft Lambdasonden, wie sie bei Brennkraftmaschinen zur Überwachung und Regelung der Abgaszusammensetzung verwendet werden, weisen häufig einen elektrischen Heizer zur Einstellung einer vorgegebenen Betriebstemperatur der Abgassonde auf. Die Heizleistung wird durch eine Pulsweiten-Modulation eingestellt. Abweichungen vom idealen Verhalten der Pulsweiten-Modulation werden im geregelten Betrieb ab einer bestimmten Zelltemperatur durch einen Temperaturregler ausgeglichen. Im gesteuerten Betrieb, können die beschriebenen Abweichungen von dem idealen Verhalten zu starken Temperaturabweichungen mit entsprechend hohem Risiko zu Ausfällen infolge eines Fehlbetriebs führen. Beim Betriebsbeginn der Brennkraftmaschine wird ein so genanntes „Schutzheizen“ mit dem Ziel durchgeführt, an der Lambdasonde vorhandenes Kondenswasser zu entfernen. Hierbei wird die Sonde auf 100°C bis 200°C aufgeheizt bevor auf die im Regelbetrieb erforderliche Temperatur im Bereich 800°C aufgeheizt wird. Bei der Temperatur im Bereich 100°C bis 200°C ist die Gefahr der Beschädigung des Keramikbauteils durch thermomechanische Spannungen ausreichend gering. Die Schutzheizphase muss allerdings so kurz wie möglich sein um die Betriebsbereitschaft Abgassonde, und damit einen möglichst geringen Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine, so schnell wie möglich zu erreichen. Hierzu muß die der Heizung der Lambdasonde zugeführte Leistung genau bekannt sein. Da die Heizung aus einer Platin-Palladium-Beschichtung aufgebaut ist, ist der elektrische Widerstand der Schicht temperaturabhängig und es ist nicht ausreichend, die effektive an dem Heizelement anliegende Spannung zu bestimmen. Exhaust probes, for example lambda probes, as used in internal combustion engines for monitoring and controlling the exhaust gas composition, often have an electric heater for setting a predetermined operating temperature of the exhaust gas probe. The heating power is adjusted by a pulse width modulation. Deviations from the ideal behavior of the pulse width modulation are compensated in controlled operation from a certain cell temperature by a temperature controller. In controlled operation, the described deviations from the ideal behavior to strong temperature deviations with correspondingly high risk can lead to failures due to a malfunction. At the start of operation of the internal combustion engine, a so-called "protective heating" is carried out with the aim of removing condensate present at the lambda probe. Here, the probe is heated to 100 ° C to 200 ° C before the temperature required in the control mode in Area 800 ° C is heated. At the temperature in the range 100 ° C to 200 ° C, the risk of damage to the ceramic component by thermo-mechanical stresses is sufficiently low. However, the Schutzheizphase must be as short as possible to the operational readiness exhaust probe, and thus the lowest possible emission of pollutants of the internal combustion engine to achieve as soon as possible. For this purpose, the power supplied to the heater of the lambda probe must be known exactly. Since the heater is constructed of a platinum-palladium coating, the electrical resistance of the layer is temperature-dependent and it is not sufficient to determine the effective voltage applied to the heating element.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine genaue und kostengünstige Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers über Pulsweiten-Modulation auch bei einem variablen elektrischen Widerstand des Verbrauchers ermöglicht. It is therefore an object of the invention to provide a method which allows accurate and cost-effective power control of an electrical load via pulse width modulation, even with a variable electrical resistance of the consumer.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen. It is a further object of the invention to provide a corresponding device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Stromverlauf durch den elektrischen Verbraucher ermittelt wird, dass aus dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf eine in dem elektrischen Verbraucher frei werdende Ist-Leistung bestimmt wird, dass die Ist-Leistung mit einer vorgegebenen Soll-Leistung verglichen wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation derart verändert wird, dass die Ist-Leistung der Soll-Leistung entspricht.The object of the invention relating to the method is achieved in that a current profile is determined by the electrical load that an actual power released in the electrical load from the voltage profile and the current profile is determined, that the actual power with a predetermined desired Power is compared and that the duty cycle of the pulse width modulation is changed so that the actual power of the target power corresponds.

Der Spannungs- und Stromverlauf wird dabei zeitlich so hoch aufgelöst erfasst, dass er auch den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der Spannung und des Stroms in den Flankenbereichen der Pulse beschreibt. Aus den Wertepaaren für Spannung und Strom wird der Verlauf der an den elektrischen Verbraucher abgegebenen elektrischen Ist-Leistung bestimmt. Durch einen Vergleich der tatsächlichen abgegebenen Ist-Leistung mit der vorgegebenen Soll-Leistung kann eine Leistungsabweichung, wie sie durch ein nicht ideales Verhalten der Leistungs-Endstufe begründet ist, erkannt und durch eine entsprechende Anpassung des Tastverhältnisses der Pulsweiten-Modulation korrigiert werden. The voltage and current profile is detected so high in time that it also describes the actual time course of the voltage and the current in the edge regions of the pulses. From the value pairs for voltage and current, the course of the electrical actual power output to the electrical load is determined. By comparing the actual output actual power with the predetermined target power, a power deviation, as it is due to a non-ideal behavior of the power amplifier, detected and corrected by a corresponding adjustment of the duty cycle of the pulse width modulation.

Auch wenn der Lastwiderstand, beispielsweise durch einen Betrieb des elektrischen Verbrauchers bei verschiedenen Temperaturen und einem entsprechenden Temperaturkoeffizienten des elektrischen Verbrauchers, nicht bekannt ist, so führt der direkte Vergleich der Ist-Leistung mit der vorgegebenen Soll-Leistung und der Anpassung des Tastverhältnisses der Pulsweiten-Modulation zu einer deutlichen Verbesserung Genauigkeit des Leistungseintrags in den elektrischen Verbraucher.Even if the load resistance, for example, by operation of the electrical load at different temperatures and a corresponding temperature coefficient of the electrical load, is not known, the direct comparison of the actual power with the predetermined desired power and the adjustment of the duty cycle of the pulse width leads Modulation to significantly improve accuracy of power input in the electrical load.

Die Anpassung des Tastverhältnisses ermöglicht eine genaue Leistungssteuerung insbesondere auch bei sehr kleinen Tastverhältnissen. Es können kostengünstige Endstufen ohne besondere Anforderungen an die Bauteiletoleranzen verwendet werden. Begrenzt zulässige Flankensteilheiten können ausgeglichen und somit die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllt werden. Das Verfahren ist kostengünstig und mit einem geringen Hard- und Softwareeinsatz bei gleichzeitig geringem Platzbedarf auf einer geeigneten elektronischen Schaltung umsetzbar. Dabei ist das Verfahren unabhängig von dem verwendeten Endstufentyp (diskret, integriert, High-Side, Low-Side) anwendbar. Zusätzliche Funktionen, beispielsweise zur Diagnose der verwendeten Leistungsendstufen, können durch eine Softwareerweiterung umgesetzt werden. The adaptation of the duty cycle allows accurate power control, especially with very small duty cycles. Cost-effective power amplifiers can be used without any special demands on the component tolerances. Limited allowable edge slopes can be compensated and thus meet the requirements for electromagnetic compatibility. The method is inexpensive and can be implemented with a small amount of hardware and software while having a small footprint on a suitable electronic circuit. The method is applicable regardless of the type of amplifier used (discrete, integrated, high-side, low-side). Additional functions, for example to diagnose the power output stages used, can be implemented by means of a software extension.

Vorteilhaft wird der Spannungs- und der Stromverlauf zumindest über eine Periode der Pulsweiten-Modulation oder über zumindest einen Puls der Pulsweiten-Modulation oder über zumindest eine Flanke des Pulses der Pulsweiten-Modulation bestimmt. Dadurch kann in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit der Leistungssteuerung der notwendige Mess- und Rechenaufwand reduziert werden. Beispielhaft kann für bestimmte Anwendungen ein möglicher Stromfluss im Auszustand vernachlässigt werden, so dass hier keine Bestimmung des Spannungs- und Stromverlaufs notwendig ist und lediglich die Ausschaltdauer in die Berechnung der Ist-Leistung einfließt. Bauteilstreuungen (slew rate rise, slew rate fall, delays etc.) wirken sich insbesondere in den Flankenbereichen der Pulse aus und können durch eine entsprechende Messung des Spannungs- und Stromverlaufs in den Flankenbereichen bestimmt und korrigiert werden. Advantageously, the voltage and current course is determined at least over one period of the pulse width modulation or via at least one pulse width modulation pulse or via at least one edge of the pulse width modulation pulse. As a result, depending on the required accuracy of the power control, the necessary measurement and calculation effort can be reduced. By way of example, for certain applications, a possible current flow in the off-state can be neglected, so that no determination of the voltage and current profile is necessary here and only the switch-off duration is included in the calculation of the actual power. Component scatters (slew rate rise, slew rate case, delays etc.) have an effect in particular in the edge regions of the pulses and can be determined and corrected by a corresponding measurement of the voltage and current profile in the edge regions.

Eine einfache und kostengünstige Bestimmung des Spannungs- und Stromverlaufs über den elektrischen Verbraucher kann dadurch erfolgen, dass der Spannungs- und Stromverlauf aus mit einem Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu vorgegebenen Abtastzeitpunkten bestimmten Spannungs- und Stromwerten ermittelt wird und dass die Abtastzeitpunkte des Analog-Digital-Wandlers an den erwarteten Spannungs- und Stromverlauf angepasst werden.A simple and cost-effective determination of the voltage and current profile over the electrical load can be carried out by determining the voltage and current profile from voltage and current values determined with an analog-to-digital converter (ADC) at predetermined sampling times, and that the sampling times of the Analog-to-digital converter can be adapted to the expected voltage and current waveform.

Die Vorgabe der Abtastzeitpunkte sichert eine ausreichend hohe Auflösung bei der Bestimmung des Spannungs- und Stromverlaufs, insbesondere in den für die Ermittlung der Ist-Leistung notwendigen Bereichen. Daher kann es vorgesehen sein, dass in den Flankenbereichen des Pulses der Pulsweiten-Modulation eine erhöhte Abtastrate vorgesehen wird und dass im Ausschaltbereich und im Einschaltbereich der Pulsweiten-Modulation eine reduzierte Abtastrate vorgesehen wird. Aus wenigen Messungen im Ausschalt- und im Einschaltbereich kann üblicherweise auf den Rest dieser Bereiche geschlossen werden. Dadurch kann der Umfang der zu erfassenden Messpunkte ohne Beschränkung hinsichtlich der Pulsdauer stark eingeschränkt und das Verfahren effizient umgesetzt werden. Kann der Stromfluss in dem Ausschaltbereich vernachlässigt werden, so kann die Abtastrate in diesem Bereich auf null gesetzt werden. The specification of the sampling times ensures a sufficiently high resolution in the determination of the voltage and current profile, in particular in the areas necessary for the determination of the actual power. Therefore, it can be provided that in the edge regions of the pulse Pulse width modulation is provided an increased sampling rate and that in the off-range and in the switch-on of the pulse width modulation, a reduced sampling rate is provided. From a few measurements in the switch-off and switch-on can be usually concluded on the rest of these areas. As a result, the scope of the measurement points to be detected can be severely restricted without limitation with regard to the pulse duration, and the method can be implemented efficiently. If the current flow in the turn-off range can be neglected, the sampling rate in this range can be set to zero.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass der Spannungs- und Stromverlauf während jeder Periode oder während einer vorgegebenen Auswahl an Perioden der Pulsweiten-Modulation bestimmt wird. Bei typischen PWM-Frequenzen und -Ansteuerungen kann üblicherweise von einem einzelnen Puls auf viele Pulse geschlossen werden. Schwankungen der Ansteuerung finden vergleichsweise langsam statt, wodurch die Auswertung einer reduzierten Anzahl von Pulsen ausreichend ist. Die Häufigkeit der auszuwertenden Pulse hängt von der geforderten Genauigkeit bei der Leistungssteuerung ab. Durch eine reduzierte Anzahl an auszuwertenden Perioden kann die Anforderung an die Rechenleistung einer verwendeten Recheneinheit deutlich reduziert werden. According to a preferred embodiment of the method, it may be provided that the voltage and current profile during each period or during a predetermined selection of periods of the pulse width modulation is determined. At typical PWM frequencies and drives, many pulses can usually be deduced from a single pulse. Fluctuations of the control take place comparatively slowly, as a result of which the evaluation of a reduced number of pulses is sufficient. The frequency of the pulses to be evaluated depends on the required accuracy in the power control. Due to a reduced number of periods to be evaluated, the requirement for the computing power of a used computing unit can be significantly reduced.

Die Bestimmung der an den Verbraucher abgegebenen Ist-Leistung kann dadurch erfolgen, dass die Spannungs- und Stromwerte an dem elektrischen Verbraucher an den jeweiligen Abtastzeitpunkten zu Leistungswerten multipliziert werden, dass die so erhaltenen Leistungswerte auf die aktuelle Abtastrate und die Periodendauer der Pulsweiten-Modulation bezogen und summiert werden und dass die tatsächliche mittlere Leistung aus der so erhaltenen Summe bestimmt wird.The determination of the actual power delivered to the consumer can be effected by multiplying the voltage and current values at the electrical load to power values at the respective sampling instants, such that the power values thus obtained relate to the current sampling rate and the period duration of the pulse width modulation and summed and that the actual average power is determined from the sum thus obtained.

Alternativ dazu kann es vorgesehen sein, dass eine variable Abtastrate verwendet wird, dass die Leistungswerte an dem elektrischen Verbraucher an den jeweiligen Abtastzeitpunkten bestimmt werden, dass die Summe gebildet wird aus dem Produkt der Leistungswerte mit den Quotienten aus den Zeitdifferenzen zwischen jeweils zwei Abtastzeitpunkten und der Periodendauer der Pulsweiten-Modulation und dass die tatsächliche mittlere Leistung aus der so erhaltenen Summe bestimmt wird. Vorteilhaft hierbei ist, dass eine über einen Puls der Pulsweiten-Modulation variable Abtastrate bei der Bestimmung der Ist-Leistung berücksichtigt wird. Alternatively, it can be provided that a variable sampling rate is used, that the power values at the electrical load are determined at the respective sampling times, that the sum is formed from the product of the power values with the quotients from the time differences between every two sampling times and Period duration of the pulse width modulation and that the actual average power is determined from the sum thus obtained. It is advantageous here that a sampling rate which is variable over a pulse of the pulse width modulation is taken into account in the determination of the actual power.

Eine einfache Korrektur des Tastverhältnisses kann dadurch erfolgen, dass ein Faktor aus dem Verhältnis zwischen der tatsächlichen mittleren Ist-Leistung und der vorgegebenen Soll-Leistung gebildet wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation mit dem Faktor korrigiert wird oder dass aus der Abweichung der tatsächlichen mittleren Ist-Leistung und der vorgegebenen mittleren Soll-Leistung ein Offset gebildet wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation mit dem Offset korrigiert wird jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Verfahren. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Korrektur iterativ über mehrere aufeinander folgende Pulse erfolgt. Vor einer ersten Korrektur wird der Faktor vorzugsweise auf einen Wert von 1 gesetzt, der Offset auf einen Wert von 0. Der zulässige Bereich des Faktors kann in Abhängigkeit von der verwendeten Leistungsendstufe begrenzt werden.A simple correction of the duty cycle can take place in that a factor is formed from the ratio between the actual average actual power and the predetermined desired power and that the duty cycle of the pulse width modulation is corrected by the factor or that from the deviation of the actual average actual power and the predetermined mean target power, an offset is formed and that the duty cycle of the pulse width modulation is corrected with the offset each considered individually or in combination of the method. It can be provided that the correction is iterative over several consecutive pulses. Before a first correction, the factor is preferably set to a value of 1, the offset to a value of 0. The permissible range of the factor can be limited depending on the power output stage used.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Strom durch den elektrischen Verbraucher aus einem Spannungsabfall über einem mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten elektrischen Widerstand bestimmt wird. Alternativ kann der Strom auch mittels eines Stromspiegel-Verfahrens, wie es in einem SENSFET verwendet wird, oder mittels eines Hallsensors bestimmt werden.In a preferred embodiment, it is provided that the current through the electrical load is determined from a voltage drop across an electrical resistance connected in series with the load. Alternatively, the current can also be determined by means of a current mirror method, as used in a SENSFET, or by means of a Hall sensor.

Wird aus dem Strom durch den elektrischen Verbraucher und der Spannung an dem elektrischen Verbraucher ein elektrischer Widerstand des elektrischen Verbrauchers bestimmt und/oder wird das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation so eingestellt wird, dass ein vorgegebener elektrischer Widerstand des elektrischen Verbrauchers erreicht wird, kann erreicht werden, dass bei einer bekannten Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands des elektrischen Verbrauchers eine vorgegebene Soll-Temperatur erreicht und eingehalten wird. Ist der elektrische Verbraucher als Platin-Palladium-Schicht einer Abgassonde ausgebildet, so ist deren Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands bekannt und es kann im Betrieb eine vorgegeben Soll-Temperatur erreicht und eingehalten werden. Is determined from the current through the electrical load and the voltage at the electrical load, an electrical resistance of the electrical load and / or the duty cycle of the pulse width modulation is set so that a predetermined electrical resistance of the electrical load is achieved, can be achieved in that, given a known temperature dependence of the electrical resistance of the electrical load, a predetermined desired temperature is achieved and maintained. If the electrical load is designed as a platinum-palladium layer of an exhaust gas probe, then its temperature dependence of the electrical resistance is known and it can be reached and maintained in operation a predetermined target temperature.

Werden aus dem Verlauf von Strom und Spannung an dem elektrischen Verbraucher Diagnose- und Schutzfunktionen abgeleitet und/oder werden aus dem Verlauf des elektrischer Widerstands des elektrischen Verbrauchers ein Temperaturverlauf des elektrischen Verbrauchers bestimmt und/oder erfolgt die Steuerung der Pulsweiten-Modulation so, dass ein vorgegebener Maximalwert der Differenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur während eines Pulses nicht überschritten wird, kann ein verbesserter Schutz vor thermomechanischen Belastungen der Heizung erreicht werden. Die Temperatur des Heizelements kann aus dem bekannten temperaturabhängigen Widerstand der Heizer-Schicht erfolgen. Dabei ist eine Überwachung des Temperaturverlaufs am Verbraucher während eines Pulses der Pulsweiten-Modulation möglich und es kann eine Verminderung der thermomechanischen Belastung und damit der Gefahr eines Bruches der Keramik des Substrats des Abgassensors, wie beispielhaft einer Lambda-Sonde, erreicht werden. Das Verfahren ermöglicht eine Aufheiz-Strategie, bei der ein nicht zu überschreitender Temperatur- oder Widerstandsgradient vorgegeben wird. Es kann somit eine maximal erlaubte thermomechanische Belastung vorgegeben werden. Dies kann den Aufbau der Lambda-Sonde vereinfachen, ohne dass ein erhöhtes Risiko einer Fehlfunktion eingegangen werden muß.If diagnostic and protective functions are derived from the course of current and voltage at the electrical load and / or a temperature profile of the electrical load is determined from the profile of the electrical resistance of the electrical load and / or the control of the pulse width modulation is such that a given maximum value of the difference between maximum and minimum temperature is not exceeded during a pulse, an improved protection against thermo-mechanical loads of the heating can be achieved. The temperature of the heating element can be made from the known temperature-dependent resistance of the heater layer. In this case, a monitoring of the temperature profile at the load during a pulse width modulation pulse is possible and it may be a reduction of the thermo-mechanical load and thus the risk of breakage of the ceramic Substrate of the exhaust gas sensor, such as a lambda probe, can be achieved. The method enables a heating-up strategy in which a temperature or resistance gradient that can not be exceeded is specified. It is thus possible to specify a maximum permissible thermomechanical load. This can simplify the design of the lambda probe without having to take an increased risk of malfunction.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung eines Stromverlaufs durch den elektrischen Verbraucher enthält, dass die Vorrichtung einen Programmablauf zur Berechnung einer an den elektrischen Verbraucher abgegebenen tatsächlichen mittleren Leistung enthält, dass die Vorrichtung eine Vergleichsstufe zum Vergleich der tatsächlichen mittleren Ist-Leistung mit einer vorgegebenen mittleren Soll-Leistung enthält und dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation derart zu verändern, dass die tatsächliche mittlere Ist-Leistung der vorgegebenen mittleren Soll-Leistung entspricht. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Der Stromverlauf kann dabei beispielhaft durch Bestimmung eines Spannungsabfalls über einem bekannten mit dem elektrischen Verbraucher in Reihe geschalteten Widerstand bestimmt werden. The object of the invention relating to the device is achieved in that the device includes means for determining a current flow through the electrical load, that the device contains a program sequence for calculating an actual average power output to the electrical load, that the device is a comparison stage for comparison contains the actual mean actual power with a predetermined mean target power and that the device is adapted to change the duty cycle of the pulse width modulation such that the actual mean actual power of the predetermined average target power corresponds. The device enables the implementation of the described method. The current profile can be determined by way of example by determining a voltage drop across a known resistor connected in series with the electrical load.

Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bevorzugt zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizers einer Abgassonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine anwenden. Die Heizung ist auf einem Keramik-Substrat als Platin-Palladium-Siebdruckschicht aufgebracht, deren Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands bekannt ist. Während der Phase des Schutzheizens muss eine vorgegebene elektrische Leistung eingebracht werden, was erst durch die erfindungsgemäße Bestimmung von Spannung und Strom während des Pulses der Pulsweitenmodulation präzise möglich ist.The method and the device can preferably be used for power control of an electrical heater of an exhaust gas probe in the exhaust passage of an internal combustion engine. The heater is applied to a ceramic substrate as a platinum-palladium screen printing layer, the temperature dependence of the electrical resistance is known. During the phase of the protective heating a predetermined electrical power must be introduced, which is precisely possible only by the inventive determination of voltage and current during the pulse width modulation pulse.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the figure. It shows:

1 eine elektrische Schaltung zur Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers. 1 an electrical circuit for power control of an electrical load.

1 zeigt eine elektrische Schaltung für eine Leistungssteuerung 10 eines elektrischen Verbrauchers 19. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich dabei auf die Leistungssteuerung 10 eines elektrischen Heizers einer Lambdasonde, welche im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die zur Beheizung erforderliche elektrische Energie wird einer Batterie 11 mit einem Pluspol 12 und einem Minuspol 13 oder einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator mit einer Nennspannung von 12 Volt oder 24 Volt entnommen und von deren Pluspol 12 über einen ersten Zuleitungswiderstand 14 einer Leistungs-Endstufe 15 zugeführt, die Teil einer Engine Control Unit (ECU) ist. Als Schaltelement in der Leistungs-Endstufe 15 ist ein MOSFET 16 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) vorgesehen. Der Pluspol 12 der Batterie 11 ist weiterhin über einen zweiten Zuleitungswiderstand 17 mit dem elektrischen Verbraucher 19 verbunden. Der MOSFET 16 ist einerseits mit dem Minuspol 13 der Batterie 11 und andererseits über einen dritten Zuleitungswiderstand 18 mit dem elektrischen Verbraucher 19 verbunden. 1 shows an electrical circuit for power control 10 an electrical consumer 19 , The embodiment relates to the power control 10 an electric heater of a lambda probe, which is arranged in the exhaust passage of an internal combustion engine. The electrical energy required for heating becomes a battery 11 with a plus pole 12 and a negative pole 13 or a generator driven by the internal combustion engine with a rated voltage of 12 Volt or 24 Volts removed and from its positive pole 12 via a first supply resistance 14 a power amplifier 15 which is part of an engine control unit (ECU). As a switching element in the power amplifier 15 is a MOSFET 16 (Metal-oxide semiconductor field-effect transistor) provided. The positive pole 12 the battery 11 is still via a second supply resistance 17 with the electrical consumer 19 connected. The MOSFET 16 is on the one hand with the negative pole 13 the battery 11 and on the other hand via a third supply resistance 18 with the electrical consumer 19 connected.

Der Leistungs-Endstufe 15 wird im Betrieb ein Pulsweiten-Modulationssignal zugeführt, so dass der MOSFET 16 den elektrischen Verbraucher 19 über den zweiten Zuleitungswiderstand 17 und den dritten Zuleitungswiderstand 18 mit der Batterie 11 im vorgesehenen Taktverhältnis verbindet und die Verbindung wieder trennt. Hierdurch kann eine mittlere Ist-Leistung gemäß einer Vorgabe in dem elektrischen Verbraucher 19 frei werden. Über eine in der Leistungs-Endstufe vorgesehene Strommessung wird dabei der zeitliche Verlauf des fließenden Stroms bestimmt. Zusammen mit dem zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls über dem elektrischen Verbraucher 19 können der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistung und der elektrische Widerstand (sowie dessen zeitlicher Verlauf) des elektrischen Verbrauchers 19 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen kann die Bestimmung des Stroms auch außerhalb der Leistungs-Endstufe an einer anderen Stelle innerhalb oder außerhalb der ECU (Engine Control Unit) vorgesehen sein.The power amplifier 15 In operation, a pulse width modulation signal is supplied, so that the MOSFET 16 the electrical consumer 19 via the second supply resistance 17 and the third lead resistance 18 with the battery 11 connects in the intended clock ratio and the connection separates again. As a result, an average actual power according to a specification in the electrical load 19 get free. About a provided in the power amplifier current measurement while the temporal course of the flowing stream is determined. Together with the time course of the voltage drop across the electrical load 19 can the time course of the electrical power and the electrical resistance (and its time course) of the electrical load 19 be determined. In alternative embodiments, the determination of the current may also be provided outside the power output stage at another location inside or outside the engine control unit (ECU).

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der MOSFET 16 in der Leistungs-Endstufe 15 mit dem Minuspol 13 der Batterie 11 verbunden und damit als „low side switch“ ausgeführt. In the embodiment shown, the MOSFET 16 in the power amplifier 15 with the negative pole 13 the battery 11 connected and thus executed as a "low side switch".

In einer alternativen Ausführung kann der MOSFET 16 auch mit dem Pluspol 12 der Batterie 11 verbunden sein und der elektrische Verbraucher 19 über den dritten Zuleitungswiderstand 18 mit dem Minuspol 13 der Batterie 11 verbunden sein. In diesem Fall wird der MOSFET 16 als „high side switch“ bezeichnet.In an alternative embodiment, the MOSFET 16 also with the positive pole 12 the battery 11 be connected and the electrical consumer 19 over the third supply resistance 18 with the negative pole 13 the battery 11 be connected. In this case, the MOSFET 16 referred to as "high side switch".

Das Verfahren lässt sich mit einem geringen Hardware-Aufwand bei geringem Platzbedarf in der Leistungssteuerung 10 umsetzen. Der Einsatz ist nicht an Abgassonden gebunden, das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich für viele andere elektrische Verbraucher und unabhängig von dem verwendeten Typ der Leistungsendstufe 15 verwenden. Vorteilhaft ist, dass bei elektrischen Verbrauchern 19 mit variablem, beispielhaft temperaturabhängigem, elektrischen Widerstand eine vorgegebene elektrische Leistung eingehalten werden kann. The method can be with a small hardware overhead with low space requirements in the power control 10 implement. The insert is not bound to exhaust probes, the method and the device can be used for many other electrical loads and regardless of the type of power output stage used 15 use. It is advantageous that in electrical consumers 19 With variable, exemplary temperature-dependent, electrical resistance, a predetermined electrical power can be maintained.

Claims (13)

Verfahren zur Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers (19) mit einer Leistungsendstufe (15), wobei die Leistungssteuerung über eine Pulsweiten-Modulation (PWM) mit einem einstellbaren Tastverhältnis erfolgt, wobei eine Periode der Pulsweiten-Modulation aus einem Einschaltbereich, einem Ausschaltbereich und zwei Flankenbereichen gebildet wird und wobei ein Spannungsverlauf über dem elektrischen Verbraucher (19) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromverlauf durch den elektrischen Verbraucher (19) ermittelt wird, dass aus dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf eine in dem elektrischen Verbraucher (19) frei werdende Ist-Leistung bestimmt wird, dass die Ist-Leistung mit einer vorgegebenen Soll-Leistung verglichen wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation derart verändert wird, dass die Ist-Leistung der Soll-Leistung entspricht. Method for controlling the power of an electrical consumer ( 19 ) with a power output stage ( 15 ), wherein the power control via a pulse width modulation (PWM) takes place with an adjustable duty cycle, wherein a period of the pulse width modulation of a power-on, a Ausschaltbereich and two edge regions is formed and wherein a voltage waveform across the electrical load ( 19 ), characterized in that a current flow through the electrical consumer ( 19 ) is determined that from the voltage curve and the current waveform in the electrical consumer ( 19 ) Freeing actual power is determined that the actual power is compared with a predetermined target power and that the duty cycle of the pulse width modulation is changed such that the actual power of the target power corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- und der Stromverlauf zumindest über eine Periode der Pulsweiten-Modulation oder über zumindest einen Puls der Pulsweiten-Modulation oder über zumindest eine Flanke des Pulses der Pulsweiten-Modulation bestimmt wird. A method according to claim 1, characterized in that the voltage and the current waveform is determined at least over a period of the pulse width modulation or at least one pulse of the pulse width modulation or at least one edge of the pulse width modulation pulse. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- und Stromverlauf aus mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zu vorgegebenen Abtastzeitpunkten bestimmten Spannungs- und Stromwerten ermittelt wird und dass die Abtastzeitpunkte des Analog-Digital-Wandlers an den erwarteten Spannungs- und Stromverlauf angepasst werden. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the voltage and current profile is determined from voltage and current values determined with an analog-to-digital converter (ADC) at predetermined sampling times, and that the sampling times of the analog-to-digital converter correspond to the expected Voltage and current are adjusted. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flankenbereichen des Pulses der Pulsweiten-Modulation eine erhöhte Abtastrate vorgesehen wird und dass im Ausschaltbereich und im Einschaltbereich der Pulsweiten-Modulation eine reduzierte Abtastrate vorgesehen wird. Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that an increased sampling rate is provided in the edge regions of the pulse width modulation pulse and a reduced sampling rate is provided in the switch-off region and in the switch-on region of the pulse width modulation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- und Stromverlauf während jeder Periode oder während einer vorgegebenen Auswahl an Perioden der Pulsweiten-Modulation bestimmt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the voltage and current waveform during each period or during a predetermined selection of periods of the pulse width modulation is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- und Stromwerte an dem elektrischen Verbraucher (19) an den jeweiligen Abtastzeitpunkten zu Leistungswerten multipliziert werden, dass die so erhaltenen Leistungswerte auf die aktuelle Abtastrate und die Periodendauer der Pulsweiten-Modulation bezogen und summiert werden und dass die tatsächliche mittlere Leistung aus der so erhaltenen Summe bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the voltage and current values at the electrical load ( 19 ) are multiplied to power values at the respective sampling instants, that the power values thus obtained are related to the current sampling rate and the period duration of the pulse width modulation and summed and that the actual average power is determined from the sum thus obtained. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable Abtastrate verwendet wird, dass die Leistungswerte an dem elektrischen Verbraucher (19) an den jeweiligen Abtastzeitpunkten bestimmt werden, dass die Summe gebildet wird aus dem Produkt der Leistungswerte mit den Quotienten aus den Zeitdifferenzen zwischen jeweils zwei Abtastzeitpunkten und der Periodendauer der Pulsweiten-Modulation und dass die tatsächliche mittlere Leistung aus der so erhaltenen Summe bestimmt wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a variable sampling rate is used, that the power values at the electrical load ( 19 ) are determined at the respective sampling times that the sum is formed from the product of the power values with the quotients of the time differences between each two sampling times and the period of the pulse width modulation and that the actual average power is determined from the sum thus obtained. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faktor aus dem Verhältnis zwischen der tatsächlichen mittleren Ist-Leistung und der vorgegebenen Soll-Leistung gebildet wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation mit dem Faktor korrigiert wird oder dass aus der Abweichung der tatsächlichen mittleren Ist-Leistung und der vorgegebenen mittleren Soll-Leistung ein Offset gebildet wird und dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation mit dem Offset korrigiert wird jeweils für sich betrachtet oder in Kombination der Verfahren. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that a factor of the ratio between the actual average actual power and the predetermined target power is formed and that the duty cycle of the pulse width modulation is corrected by the factor or that of the Deviation of the actual average actual power and the predetermined mean target power offset is formed and that the duty cycle of the pulse width modulation is corrected with the offset each considered individually or in combination of the method. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch den elektrischen Verbraucher (19) aus einem Spannungsabfall über einem mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten elektrischen Widerstand bestimmt wird. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the current through the electrical load ( 19 ) is determined from a voltage drop across a series connected to the load electrical resistance. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Strom durch den elektrischen Verbraucher (19) und der Spannung an dem elektrischen Verbraucher (19) ein elektrischer Widerstand des elektrischen Verbrauchers (19) bestimmt wird und/oder dass das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation so eingestellt wird, dass ein vorgegebener elektrischer Widerstand des elektrischen Verbrauchers (19) erreicht wird. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that from the current through the electrical load ( 19 ) and the voltage at the electrical consumer ( 19 ) an electrical resistance of the electrical consumer ( 19 ) is determined and / or that the duty cycle of the pulse width modulation is set so that a predetermined electrical resistance of the electrical load ( 19 ) is achieved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf von Strom und Spannung an dem elektrischen Verbraucher (19) Diagnose- und Schutzfunktionen abgeleitet werden und/oder dass aus dem Verlauf des elektrischer Widerstands des elektrischen Verbrauchers (19) ein Temperaturverlauf des elektrischen Verbrauchers (19) bestimmt wird und/oder Steuerung der Pulsweiten-Modulation so, dass ein vorgegebener Maximalwert der Differenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur während eines Pulses nicht überschritten wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that from the course of current and voltage at the electrical load ( 19 ) Diagnostic and protective functions are derived and / or that from the course of the electrical resistance of the electrical load ( 19 ) a temperature profile of the electrical load ( 19 ) and / or control of the pulse width modulation so that a predetermined maximum value of the difference between the maximum and minimum temperature is not exceeded during a pulse. Vorrichtung zur Leistungssteuerung eines elektrischen Verbrauchers (19) mit einer mit einer Pulsweiten-Modulation (PWM) mit einem einstellbaren Tastverhältnis angesteuerten Leistungsendstufe (15) wobei eine Periode der Pulsweiten-Modulation durch einen Einschaltbereich, einen Ausschaltbereich und zwei Flankenbereiche gebildet ist, und wobei die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung eines Spannungsverlaufs über dem elektrischen Verbraucher (19) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung eines Stromverlaufs durch den elektrischen Verbraucher (19) enthält, dass die Vorrichtung einen Programmablauf zur Berechnung einer an den elektrischen Verbraucher (19) abgegebenen tatsächlichen mittleren Leistung enthält, dass die Vorrichtung eine Vergleichsstufe zum Vergleich der tatsächlichen effektiven Ist-Leistung mit einer vorgegebenen effektiven Soll-Leistung enthält und dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das Tastverhältnis der Pulsweiten-Modulation derart zu verändern, dass die tatsächliche mittlere Ist-Leistung der vorgegebenen mittleren Soll-Leistung entspricht. Device for controlling the power of an electrical consumer ( 19 ) with a power output stage controlled by a pulse width modulation (PWM) with an adjustable duty cycle ( 15 wherein a period of the pulse width modulation is formed by a switch-on, a switch-off and two edge regions, and wherein the device means for determining a voltage waveform across the electrical load ( 19 ), characterized in that the device comprises means for determining a current flow through the electrical load ( 19 ) indicates that the device has a program sequence for calculating an electrical load ( 19 ), that the device includes a comparison stage for comparing the actual effective actual power with a predetermined effective target power and that the device is adapted to change the duty cycle of the pulse width modulation such that the actual average power Actual power corresponds to the specified mean target power. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche zur Leistungssteuerung eines elektrischen Heizers einer Abgassonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine.Application of the method and the device according to one of the preceding claims for power control of an electric heater of an exhaust gas probe in the exhaust passage of an internal combustion engine.
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