CN103633972A

CN103633972A - 用于电消耗器的功率控制或电压控制的方法和装置

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Publication number: CN103633972A
Application number: CN201310363628.3A
Authority: CN
Inventors: T.施米特; M.布奇霍滋
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2014-03-12
Also published as: FR2994606A1; KR20140024225A; DE102012214717A1

Abstract

本发明涉及一种用于借助于功率终放级（16）对电消耗器进行功率控制或电压控制的方法，其中，所述功率控制或电压控制经由一具有能够调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行并且由一接通区域、一断开区域和两个边沿区域形成所述脉冲宽度调制的周期，在此规定，求得一经由所述电消耗器的电压曲线，从所述电压曲线中计算出经由所述电消耗器的实际有效的电压，将所述实际有效的电压与一预设的有效的额定电压进行比较并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际有效的电压与所述预设的有效的额定电压相应。本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置。所述方法和所述装置能够实现经由脉冲宽度调制、尤其是在小的占空比的情况下的电消耗器的准确的功率控制或电压控制。

Description

用于电消耗器的功率控制或电压控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于借助于功率终放级对电消耗器进行功率控制或电压控制的方法，其中，所述功率控制或电压控制经由一具有可调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，并且由一接通区域、一断开区域和两个边沿区域形成所述脉冲宽度调制的一个周期。

本发明还涉及一种用于借助于功率终放级对电消耗器进行功率控制或电压控制的装置，其中，所述功率控制经由一具有可调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，并且通过一接通区域、一断开区域和两个边沿区域来形成所述脉冲宽度调制的一个周期。

背景技术

为了调节功率、有效电压或有效电流，已知的是，经由脉冲宽度调制（PWM）来操控电消耗器。在此情况下，例如将电消耗器的恒定的供给电压以一预设的占空比（TV）进行接通和断开。经由所述接通时间与断开时间的比可以调节向所述消耗器输送的电功率、有效电压和有效电流。

所述开关过程可以经由一相应地操控的功率终放级来进行。在此情况下所述占空比可以受调节地或受控地进行预设。

所述占空比的调节在受控的系统的情况下在假设所采用的电子构件且因此向所述消耗器输送的电压的时间变化的理想行为的前提下进行。例如通过限定的边沿陡度或通过延迟时间引起的与理想行为的偏差直接对向消耗器输送的功率或者说对有效电流和有效电压产生影响。所述偏差的原因在此情况下可能在于某些情况下所采用的电子构件的通过构件公差所不同的响应行为。所述边沿陡度还可能通过关于电磁兼容性（EMV）方面的要求被限定。

与理想行为的偏差在脉冲宽度调制的小的占空比的情况下特别强烈地起作用。小的占空比可以例如通过如下方式得出，所述电消耗器以不同的供给电压来运行。DE102010001004A1描述了一种用于操控车载供电系统内的促动器的方法，所述车载供电系统具有不同的运行电压或者说时间上的车载供电电压变化。在此规定，所述一个或多个促动器以不同的脉冲宽度调制的操控信号进行操控，其中，所述操控信号的脉冲宽度和周期持续时间可相互独立地调节并且根据实际施加的车载供电电压进行匹配。

废气探测器、例如拉姆达探测器如今在现代的内燃机中用于监控和调节废气组分，其常常具有用于调节废气探测器的预设的运行温度的电加热器。所述加热功率通过一脉冲宽度调制来调节，其例如被设计到12V的供给电压上。所述废气探测器在24V的系统中的一种可能的应用导致特别小的占空比。与所述脉冲宽度调制的理想行为的偏差将在受调节的运行中从一确定的电池温度（Zelltemperatur）开始通过一温度调节器来平衡。在受控的运行中，例如在所述废气探测器的测量值不可用于运行所述调节期间，所描述的与理想行为的偏差会导致强烈的温度偏差，以及由于错误运行而导致的相应的故障的高风险。

为了仍然能够实现受控的运行，可以采用快速的、被规定公差的功率终放级用于所述操控。然而这导致了不允许的高的EMV辐射。

另一种可能性在于代替所述脉冲宽度调制使用DC/DC转换器。这导致了高的费用。其它的缺点在于大的位置需求以及在所述方法的情况下出现的高的热损失。

同样地，在测量和调节适当的电流平均值时，在同时高的硬件耗费的情况下产生了高的费用和高的位置需求。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种方法，其即使在小的占空比的情况下也能够实现电消耗器的经由脉冲宽度调制的准确的和成本低廉的功率控制。

本发明的任务还在于，提出一种相应的装置。

本发明的涉及所述方法的任务通过如下方式解决，即求得所述电消耗器上的电压曲线，从所述电压曲线中计算出所述电消耗器上的实际的有效电压，将所述实际的有效电压与一预设的有效额定电压进行比较并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际的有效电压与所述预设的有效额定电压相应。

在此，如此地高分辨率地检测所述电压曲线，使得其也描述了在脉冲的边沿区域中的实际的时间上的电压曲线。

通过所述电消耗器、特别是欧姆消耗器上的实际的时间上的电压曲线，在所述电消耗器的已知的负载电阻的情况下确定向所述消耗器实际输送的电功率，并且通过由此计算出的实际电压有效值进行描述。通过所述实际的有效电压与为了实现所希望的功率所预设的有效额定电压的比较，可以识别到一功率偏差，如其通过所述脉冲宽度调制的不理想的行为引起的，并且通过所述脉冲宽度调制的占空比的相应的匹配来进行平衡。

即使没有识别到所述负载电阻，例如通过在所述电消耗器的不同的温度和相应的温度系数的情况下所述电消耗器的运行引起的负载电阻，则这里也进行所述实际的有效电压与预设的有效额定电压的直接的比较以及所述脉冲宽度调制的占空比的相应的匹配，用于更好地控制所述电消耗器中的功率值。

所述占空比的匹配能够实现在电消耗器、特别是即使在特别小的占空比的情况下的准确的功率控制或者说电压控制。可以在没有对于构件公差的特别要求的前提下采用成本低廉的终放级。受限地允许的边沿陡度可以得到平衡且因此满足对于EMV的要求。所述方法是成本低廉的并且能够与一很小的硬件和软件使用在同时很小的位置需求的情况下在一适当的电子电路上进行转换。在此情况下，所述方法能够与所采用的终放级类型（离散的、集成的、高边的、底边的）无关地来使用。其它的功能，利用用于诊断所采用的功率终放级，可以通过简单的软件扩展来进行转换。

所述电压曲线可以至少经由所述脉冲宽度调制的一个周期或经由所述脉冲宽度调制的至少一个脉冲或者经由所述脉冲宽度调制的脉冲的至少一个边沿来确定。由此可以根据所要求的所述功率控制的准确度来减小所需的测量耗费和计算耗费。例如可以针对确定的应用，在断开状态下忽略可能的电流，从而这里无需确定电压曲线并且仅所述断开时间被引入到实际有效的电压的计算中。构件差异（压摆率上升、压摆率下降、延迟等等）特别是在脉冲的边沿区域中产生影响并且可以通过所述边沿区域中的电压曲线的相应的测量来确定和修正。

经由所述电消耗器的电压曲线的简单和成本低廉的确定是可以通过如下方式进行的，即从利用模拟数字转换器（ADC）在预设的采样时间点所确定的电压值中求得所述电压曲线，并且将所述模拟数字转换器的采样时间点与所期望的电压曲线进行匹配。

所述采样时间点的预设确保了在确定电压曲线、特别是在为了确定有效的实际电压所需的区域中的足够高的分辨率。因此可以规定，在所述脉冲宽度调制的脉冲的边沿区域中设置一提高的采样率并且在所述脉冲宽度调制的断开区域以及接通区域中设置一减小的采样率。从在断开区域和在接通区域中的少量的测量中通常可以推断出这些区域的剩余部分。由此可以在不限制脉冲持续时间的前提下大大地限制待检测的测量点的范围并且有效地转换所述方法。如果可以忽略所述断开区域中的电流，则在该区域中的采样率可以置于零。

根据该方法的一种优选的变型可以规定，所述电压曲线在脉冲宽度调制的每个周期期间或者在预设选择的周期期间进行确定。在典型的PWM频率和操控的情况下，通常可以从单个的脉冲推断出大量的脉冲。所述操控的波动比较慢地发生，由此对于减少数量的脉冲的评价就足够。待评价的脉冲的频率取决于在功率控制时所要求的准确度。通过减少数量的待评价的周期，可以明显减少对于所采用的CPU的计算功率的要求。

所述消耗器上的有效的实际电压的确定是可以通过如下方式来进行的，对各采样时间点的所述电消耗器上的电压值进行平方，将所述电压值的平方与实际的采样率以及所述脉冲宽度调制的周期持续时间关联起来并且进行总和，并且从如此获得的总和的方根中确定实际的有效电压。

取而代之可以规定，采用能够变化的采样率，对各采样时间点的所述电消耗器上的电压值进行平方，从所述电压值的平方与各两个采样时间点之间的时间差和所述脉冲宽度调制的周期持续时间之商的乘积中形成所述总和，并且从如此获得的总和的方根中确定所述实际的有效电压。在此情况下有利的是，例如所述脉冲宽度调制上的脉冲的可变的采样率在确定电压值时予以考虑。

所述占空比的简单的修正可以通过如下方式进行，即从在实际的有效电压和预设的有效额定电压的比中形成一因数，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用该因数进行修正，或者从实际的有效电压和预设的有效额定电压的偏差中形成一偏移值，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用所述偏移值单独地或结合所述方法进行修正。在第一次修正之前，优选将所述因数置于值1，将所述偏移值置于值0。所述因数的允许的范围可以根据所采用的功率终放级来进行限定。

根据本发明的一种特别优选的设计变型，为了确定所述电消耗器上的电压值，在一断开区域中确定所述功率终放级上的基准电压，并且从所述基准电压和在所述边沿区域或所述接通区域期间确定的所述功率终放级上的测量电压之间的差值中确定所述电压值。在所述电消耗器和所述功率终放级串联的情况下，其中，所述功率终放级单侧地位于接地线上，所述基准电压相应于所述供给电压。在所述基准电压和实际地在所述功率终放级上施加的电压之间的差别相应于在各测量点在所述电消耗器上的电压降。所述供给电压的变化可以在确定所述电消耗器上的电压曲线时予以考虑。在单侧地位于运行电压上的终放级的情况下，以类似的方式进行所述评价。

如果所述供给电压超过了所采用的模拟数字转换器的测量范围，可以规定，借助于用于与模拟数字转换器的测量范围进行匹配的分压器来确定经由所述功率终放级的电压。

本发明的涉及所述装置的任务通过如下方式解决，所述装置包括一用于确定所述电消耗器上的电压曲线的器件，所述装置包括一用于从所述电压曲线中计算所述电消耗器上的实际的有效电压的程序流程，所述装置包括一用于将所述实际的有效电压与预设的有效额定电压进行比较的比较级，并且所述装置设计用于以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际的有效电压与所述预设的有效额定电压相应。所述装置能够实现所述方法的实施。

简单的待转换的功率控制或者说电压控制可以通过如下方式实现，即所述电消耗器构造成欧姆消耗器。

所述方法和所述装置可以优选地用于内燃机的废气管道中的废气探测器的电加热器的功率控制或者说电压控制。

附图说明

下面借助附图中展示的实施例详细阐释本发明。其中：

图1 示出了用于电消耗器的功率控制的第一电路，

图2 示出了终放级电压曲线，

图3 示出了加热器电压曲线，

图4 示出了具有分压器的控制设备，

图5 示出了用于电消耗器的功率控制的第二电路。

具体实施方式

图1 示出了用于电消耗器的功率控制的第一电路，在此，该实施例涉及拉姆达探测器的电加热器14的功率控制，所述拉姆达探测器布置在柴油马达的废气通道中。

所述电加热器14与电压源10并且经由控制设备12与接地线17连接。去往电加热器14的馈电线的导线电阻在示图中以第一馈电线电阻13进行概括。所述控制设备12实施成引擎控制单元（ECU）。这里也以第二馈电线电阻11来概括馈电线的导线电阻。所述控制设备12经由所述第二馈电线电阻11并且经由接地线与所述电压源10连接。在所述电加热器14和所述控制设备12之间设置第一测量接口15。为了能够平衡经由第一馈电线电阻13的损失，可以替换地在所述第一馈电线电阻13和所述加热器14之间设置附加的、未示出的测量接口。

所述控制设备12的示图限于针对本发明的描述所重要的构件。其包括以场效应晶体管（FET）为形式的功率终放级（Leistungsendstufe）16，所述场效应晶体管具有一漏极接口16.2、一栅极接口16.1、一背栅接口16.3和一源极接口16.4。所述背栅接口16.3和所述源极接口16.4与接地线17连接，所述漏极接口16.2与所述电加热器14连接。

为了控制向所述电加热器14输送的电功率，在所述栅极接口16.1上施加一脉冲宽度调制的信号（PWM信号）。在所述PWM信号接通时间期间，所述场效应晶体管通电并且一电流从电压源10经过所述电加热器14和所述功率终放级16流向所述接地线17。在断开时间期间，所述电流是中断的。经由所述PWM信号的占空比来预设在所述电加热器16中转换的功率。相应于所示的所述第一电路的构造，所述功率终放级16实施成朝向所述接地线17的低边开关。

图2示出了一终放级电压曲线21，如其在所述脉冲宽度调制的脉冲期间存在于所述第一测量接口15和所述接地线17之间。所述终放级电压曲线21在此相对于一电压轴20和一时间轴22来绘制。

图3示出了加热器电压曲线23。所述加热器电压曲线23相对于在图2中引入的电压轴20和时间轴22来绘制。由所述电压源10提供的供电电压24作为点划线来标记。所述加热器电压曲线23示出了在所述加热器14上下降的电压。其从所述供给电压24和在图2中所示的终放级电压曲线21的差值中形成。

由于被操控的构件、例如通过限定的边沿陡度或延迟时间引起的不理想的行为，加热器电压曲线23与具有矩形脉冲的理想的电压曲线是有偏差的。通过构件差异，所述偏差针对不同的功率终放级16可能是不同的。此外，所述边沿陡度受到电磁兼容性（EMV）要求的限定。由于所述功率终放级16的内阻，在接通状态中，没有在所述电加热器14上施加全部的供给电压24。

与理想的电压曲线的偏差直接导致了在电加热器14中转换的电功率与预设的额定值的偏差。这在脉冲宽度调制的小的占空比的情况下产生特别强烈的效果。

针对所示的实施例规定，根据存在的车载电压的不同，所述拉姆达探测器在12V或24V的标称的系统电压下的供给电压24的情况下来运行。在24V的运行情况下的占空比为相比于在12V的运行情况下的值的1/4。特别是在所谓的拉姆达探测器的加热保护的区域中在特别小的、受控地调节的功率的情况下，由此得到了在典型地<1%的范围中的特别小的占空比。所述加热信号的开关边沿在此具有对于在所述电加热器14中实际转换的功率的大的影响。在此，所述开关边沿的陡度通过所采用的构件、但也通过在24V时提高的电磁辐射来限定。由于不正确的操作，实际转换的热功率与预设值的偏差导致了现场故障导致的高风险。

因此根据本发明规定，确定电加热器、在该实施例中加热器14上的实际的电压曲线，与预设的电压曲线进行比较，并且在出现偏差的情况下对脉冲宽度调制的占空比进行相应地匹配。为了进行比较，从实际的加热器电压曲线23中确定有效电压，将其与预设的有效额定电压进行比较。

根据在图1中所示的电路布设，在该实施例中实际的加热器电压曲线23从供给电压24和在第一测量接口15处测量到的在功率终放级16上的终放级电压曲线21之间的差值中进行确定。下面描述用于评价的一种可能的流程和一种替选的流程。

1. 在关闭FET的情况下在预设数量的测量点上确定功率终放级16上的测量电压U_mess_i。

2. 计算所确定的测量值U_mess_i的平均值作为基准电压U_ref。所述基准电压U_ref对应于所述供给电压24。

3. 在预设的采样时间点测量所述终放级电压曲线21（U_mess_i）。随后针对各采样时间点：

○ 计算所述加热器14上的电压降U_Heizer_i作为所述基准电压和各电压之间的差值

U_mess: （U_Heizer_i = U_ref- U_mess_i）。

○ 形成U_Heizer_i的平方。

4. 形成所述采样时间点的U_Heizer_i的平方的总和。

5. 与脉冲宽度调制的周期相关联：

○ Signal_1=Summe((U_Heizer_i)²/(周期持续时间PWM x f_sample))，其中，f_sample表示采样率。

6. 确定所述加热器14上的有效电压U_heff作为从Signal_1中求得的方根。所述有效电压代表了所述加热器电压曲线23的实际特性，包括边沿公差、延迟、电流限定和所述功率终放级16的内阻。

7. 通过形成因数F，与预设的有效额定电压U_hsoll进行比较：

F = U_heff/U_hsoll。

8. 基于因数F来修正所述脉冲宽度调制的占空比。

替选地，可以代替第4和5点采用下列的流程。该替选的流程显示出如下优点，即包含了经由所述脉冲的可变的采样率：

4a. 计算U_Heizer的平方值。

5a. 在考虑ADC的采样的情况下计算总和值

Signal_1=Summer ((U_heizer_i)²*Δt_ADC_i/ 周期持续时间 PWM)，其中，Δt_ADC_i描述了各信号段的持续时间。

图4示出了在图1中引入的控制设备12，其具有在所述功率终放级16上的附加的分压器。所述分压器由第一电阻30和第二电阻32构成。第二测量接口31布置在所述电阻30、32之间。

所述终放级电压曲线21且因此所述加热器电压曲线23可以优选以未示出的模拟数字转换器（ADC）来测量。所述分压器能够实现所述测量电压与所述模拟数字转换器的测量范围的匹配。这种模拟数字转换器已经设置在现代的、实施成引擎控制单元（ECU）的控制设备12中。通过所述控制设备12以所述分压器的简单的扩展，可以将所述模拟数字转换器用于确定终放级电压曲线21。

图5 示出了用于电消耗器的功率控制的第二电路，在此，采用已经在图1中引入的相同的附图标记。与第一电路不同，所述功率终放级16实施成高边开关并且经由第一馈电线电阻13与电压源10连接。所述加热器14作为电消耗器布置在功率终放级16和接地线17之间。在第一测量接口15处，可以确定直接经由所述加热器14至所述接地线的加热器电压曲线23。这里为了将测量电压与模拟数字转换器的测量范围进行匹配，也可以采用分压器。

该方法在控制设备12中很小的位置需求的情况下可以以很小的硬件耗费进行转换。所述应用不是绑定到废气探测器上的，所述方法和所述装置可以针对许多其它的电消耗器并且与所采用的功率终放级16的类型无关地来使用。可以采用具有更高的公差的功率终放级且由此节省费用。所述功率终放级16上的电压曲线还可以用于所述功率终放级16以及所述电消耗器的诊断。

为了节省计算功率，有利的是，所述采样时间点与所期望的终放级电压曲线21进行匹配。如果例如所述电流在关闭的功率终放级16的情况下可以被忽略不计，则这里不检测或仅检测少量的测量点。

构件差异特别是在所述脉冲的边沿的区域中是关系重大的，从而这里适宜高的采样率。

在典型的PWM频率和操控的情况下，从单个的或少量的脉冲的评价中可以推断出大量的脉冲，从而仅须测量和评价所述脉冲的预设的份额。针对典型的宽带拉姆达探测器，所述频率在脉冲宽度调制的情况下位于大约100Hz。这里仅例如评价每100个脉冲就可以足够，这导致所述测量耗费和计算耗费的明显减小。

Claims

1. 一种用于借助于功率终放级（16）对电消耗器进行功率控制或电压控制的方法，其中，所述功率控制或电压控制经由一具有能够调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，并且由一接通区域、一断开区域和两个边沿区域形成所述脉冲宽度调制的一个周期，其特征在于，求得所述电消耗器上的电压曲线，从所述电压曲线中计算出所述电消耗器上的实际的有效电压，将所述实际的有效电压与预设的有效额定电压进行比较，并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际的有效电压与所述预设的有效额定电压相应。

2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压曲线至少经由所述脉冲宽度调制的一个周期或经由所述脉冲宽度调制的至少一个脉冲或者经由所述脉冲宽度调制的脉冲的至少一个边沿来确定。

3. 按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电压曲线从利用模拟数字转换器（ADC）在预设的采样时间点确定的电压值中求得并且将所述模拟数字转换器的采样时间点与所期望的电压曲线进行匹配。

4. 按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述脉冲宽度调制的脉冲的边沿区域中设置一提高的采样率，并且在所述脉冲宽度调制的断开区域以及接通区域中设置一减小的采样率。

5. 按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电压曲线在所述脉冲宽度调制的每个周期期间或在所述脉冲宽度调制的预设地选择出的周期期间进行确定。

6. 按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对在各采样时间点的所述电消耗器上的电压值进行平方，将所述电压值的平方与所述实际采样率和所述脉冲宽度调制的周期持续时间相关联，并且求得总和，并且从如此获得的总和的方根中确定实际的有效电压。

7. 按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，采用能够变化的采样率，对在各采样时间点的所述电消耗器上的电压值进行平方，从所述电压值的平方与如下的商的乘积中形成所述总和，所述商是各两个采样时间点之间的时间差与所述脉冲宽度调制的周期持续时间之商，并且从如此获得的总和的方根中确定所述实际的有效电压。

8. 按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，分别单独地或结合所述方法，从所述实际的有效电压和所述预设的有效额定电压的比中形成一因数，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用所述因数进行修正，或者从所述实际的有效电压和预设的有效额定电压的偏差中形成一偏移值，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用所述偏移值进行修正。

9. 按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述电消耗器上的电压值，在断开区域中确定所述功率终放级（16）上的基准电压，并且从所述基准电压和在所述边沿区域或所述接通区域期间在所述功率终放级（16）上确定的测量电压之间的差值中确定所述电压值。

10. 按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，借助于分压器确定所述功率终放级（16）上的电压，所述分压器用于与所述模拟数字转换器的测量区域进行匹配。

11. 一种用于借助于功率终放级（16）对电消耗器进行功率控制或电压控制的装置，其中，所述功率控制经由一具有能够调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，并且通过一接通区域、一断开区域和两个边沿区域形成所述脉冲宽度调制的一个周期，其特征在于，所述装置包括用于确定所述电消耗器上的电压曲线的器件，所述装置包括用于从所述电压曲线中计算电消耗器上的实际的有效电压的程序流程，所述装置包括用于将所述实际的有效电压与预设的有效额定电压进行比较的比较级，并且所述装置设计用于以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际的有效电压与所述预设的有效额定电压相应。

12. 按照权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电消耗器构造成欧姆消耗器。

13. 按照权利要求1至11中任一项所述的方法和装置用于内燃机的废气管道中的废气探测器的电加热器（14）进行功率控制或电压控制的应用。