CN103780233A - 用于电消耗器的功率控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用一功率终放极对一电消耗器进行功率控制的方法，其中，所述功率控制经由一具有能调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成，并且其中，求出所述电消耗器上的电压曲线。在此规定，求出一通过所述电消耗器的电流曲线，从所述电压曲线和所述电流曲线中确定一在所述电消耗器中释放的实际功率，将所述实际功率与一预设的额定功率进行比较，并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际功率与所述额定功率相应。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。该方法和该装置实现了经由脉冲宽度调制对电消耗器的准确的功率控制，即使所述电消耗器的电阻是可变的并且例如与其温度相关。

Description

用于电消耗器的功率控制的方法和装置
技术领域
本发明涉及利用一功率终放极对一电消耗器进行功率控制的方法，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，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成，并且其中，求出所述电消耗器上的电压曲线。
本发明还涉及利用一功率终放极对一电消耗器进行功率控制的装置，所述功率终放极利用一具有可调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来操控，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成，并且其中，所述装置包括用于确定一在所述电消耗器上的电压曲线的器具。
背景技术
为了调节功率、有效电压或有效电流，已知的是，经由一脉冲宽度调制（PWM）来操控电消耗器。在此情况下，将电消耗器的供给电压以一可预设的占空比（TV）进行接入和断开。经由接入持续时间与断开持续时间之比，可以调节有效电压和有效电流并且经由它们来调节向所述消耗器输送的电功率。所述开关过程可以经由一利用所述占空比来操控的功率终放极来进行。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的且因此向所述消耗器输送的电压的时间曲线的理想特性的前提下进行。从所述脉冲宽度调制的功率终放极的矩形的输出电压出发，并且在该假设的前提下，从电池电压和所述占空比中计算出所述电消耗器上的有效电压。例如通过所述电子开关元件的限定的边沿陡度或通过延迟时间引起的与理想特性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在某些情况下通过构件公差引起的所采用的电子构件的不同的响应行为。所述边沿陡度还可能通过关于电磁兼容性（EMV）的要求进行限定。在输出脉冲的增大的边沿陡度的情况下，与功率相连的并且不与功率相连的高频的发射也增大。这会导致其它组件受到不希望的影响。
与理想特性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。在申请人的文章R.343842中描述了一种方法和一种装置，其中，在该方法的情况下借助于一功率终放极来对一电消耗器进行功率控制或电压控制，其中，所述功率控制或电压控制经由一脉冲宽度调制（PWM）以一可调节的占空比来进行，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成。该方法的特征在于，求出所述电消耗器上的电压曲线，从所述电压曲线中计算出在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。该方法和该装置能够实现在具有时间上恒定地已知的电阻的消耗器的情况下的精确的功率控制。
废气探测器、例如拉姆达探测器如在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。所述热功率通过一脉冲宽度调制来调节。与所述脉冲宽度调制的理想特性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，所描述的与理想特性的偏差会导致强烈的温度波动，并且由于错误运行而导致相应高的失效风险。在所述内燃机运行开始时，以如下目的来实施所谓的“保护加热（Schutzheizen）”，以便去除在所述拉姆达传感器上存在的冷凝水。在此情况下，将所述传感器加热到100℃至200℃，之后才将其加热到在调节运行中所需的在800℃的范围中的温度上。在100℃至200℃的范围中的温度的情况下，陶瓷构件通过热机械应力而受损的危险足够小。当然，所述保护加热阶段必须尽可能短，以便尽可能快地达到废气探测器的运行准备状态，且因此尽可能快地达到所述内燃机的尽可能小的有害物质排放。为此，向所述拉姆达传感器的加热装置所输送的功率必须准确地已知。由于所述加热装置由一铂钯涂层构成，因此所述层的电阻是与温度相关的，并且仅确定施加在所述加热元件上的有效电压是不够的。
发明内容
因此本发明的任务在于，提出一种方法，即使在消耗器的可变电阻的情况下，该方法也能够实现经由脉冲宽度调制对电消耗器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。
本发明的涉及方法的任务通过如下方式解决，即求出通过所述电消耗器的电流曲线，从所述电压曲线和所述电流曲线中确定一在所述电消耗器中释放的实际功率，将所述实际功率与一预设的额定功率进行比较，并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际功率与所述额定功率相应。
在此所述电压和电流曲线如此地高分辨率地进行检测，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和电流曲线。从针对电压和电流的值对中，确定放出到所述电消耗器上的电的实际功率的曲线。通过所述实际放出的实际功率与所述预设的额定功率的比较，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特性引起的，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修正。
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，也进行所述实际功率与所述预设的额定功率的直接比较以及所述脉冲宽度调制的占空比的相应的匹配，用于明显改善所述电消耗器中的功率值的准确性。
所述占空比的匹配特别是在特别小的占空比的情况下也能够实现准确的功率控制。在没有对于构件公差的特别要求的前提下可采用成本低廉的终放极。受限的允许的边沿陡度可以得到平衡且因此满足对于电磁兼容性的要求。所述方法是成本低廉的并且在同时很小的位置需求的情况下可在一合适的电路上利用很小的硬件投入和软件投入进行转换。在此情况下，所述方法能够与所采用的终放极类型（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极，可以通过软件扩展来进行转换。
有利地，所述电压和电流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。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用途，在断开状态下忽略可能的电流，从而这里无需确定电压和电流曲线并且仅将所述断开持续时间引入到实际功率的计算中。构件差异（旋转率上升、旋转率下降、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和电流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和电流曲线的简单和成本低廉的确定可以通过如下方式进行，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和电流值中求出所述电压和电流曲线，并且将所述模拟-数字-转换器的采样时间点与所预期的电压和电流曲线进行匹配。
所述采样时间点的预设确保了在确定所述电压和电流曲线时、特别是在为了求出所述实际功率所必须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缘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入区域中设置一减小的采样率。从在断开和在接入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。由此可以在制脉冲持续时间方面不进行限制的前提下强烈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设计方案可以规定，所述电压和电流曲线在脉冲宽度调制的每个周期期间或者在预设的周期选择期间进行确定。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计算单元的计算功率的要求。
放出到所述消耗器上的实际功率的确定可以通过如下方式来进行，即在各采样时间点将所述电消耗器上的电压和电流值相乘，使得如此获得的功率值与所述脉冲宽度调制的实际采样率和周期持续时间相关联并且进行总和，并且从如此获得的总和中确定实际的平均功率。
替选地可以规定，使用一能够变化的采样率，在各采样时间点确定所述电消耗器上的功率值，由所述功率值乘以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来形成所述总和，并且从如此获得的总和中确定所述实际的平均功率。在此情况下有利的是，在确定所述实际功率时考虑经由所述脉冲宽度调制的一个脉冲的变化的采样率。
所述占空比的一种简单的修正可以通过如下方式进行，从在实际的平均实际功率和预设的额定功率的比中形成一因数，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用该因数进行修正，或者从实际的平均实际功率和预设的平均额定功率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以所述偏移值单独地或结合所述方法进行修正。在此可以规定，所述修正重复地经由多个接连不断的脉冲来进行。在第一次修正之前，优选将因数置于值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极来进行限定。
在一种优选的实施方式中规定，从与所述消耗器串联的电阻上的电压降中确定通过所述电消耗器的电流。替选地，也可以借助于一电流镜方法，如在一SENSFET中使用的电流镜方法，或借助于一霍尔传感器来确定所述电流。
如果从穿过所述电消耗器的电流以及在所述电消耗器上的电压中确定出所述电消耗器的电阻，和/或如此调节所述脉冲宽度调制的占空比，使得实现所述电消耗器的一预设的电阻，则可以实现，在所述电消耗器的电阻的已知的温度相关性的情况下达到并且维持一预设的额定温度。如果所述电消耗器构造成一废气探测器的铂钯层，则所述电消耗器的温度相关性是已知的并且可以在运行中达到并且维持一预设的额定温度。
如果从所述电消耗器上的电流和电压的曲线中导出诊断和保护函数和/或从所述电消耗器的电阻的曲线中确定所述电阻的一温度曲线和/或所述脉冲宽度调制的控制如此进行，使得在一个脉冲期间不超过最大和最小温度之差的预设的最大值，则可以实现更好地防止所述加热装置的热机械应力。所述加热元件的温度确定可以从所述加热器层的已知的与温度相关的电阻中进行。在此，实现了在所述脉冲宽度调制的一个脉冲期间对消耗器上的温度曲线的监控并且可以避免所述热机械应力，且因此避免了废气传感器、例如一拉姆达传感器的衬底的陶瓷断裂的危险。该方法能够实现一加热策略，其中，预设一不能超过的温度梯度或阻力梯度。因此，可以预设一最大允许的热机械应力。这可以简化所述拉姆达传感器的结构，而非一定会带来错误功能的提高的风险。
本发明的涉及所述装置的任务通过如下方式解决，即所述装置包括一用于确定通过所述电消耗器的电压曲线的器具，所述装置包括一用于计算放出到所述电消耗器上的实际的平均功率的程序流程，所述装置包括一用于将所述实际的平均实际功率与一预设的平均额定功率进行比较的比较级，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，使得所述实际的平均实际功率与所述预设的平均额定功率相应。所述装置能够实现所述方法的实施。在此，所述电流曲线示例性地通过确定一在已知的与所述电消耗器串联的电阻上的电压降来进行确定。
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。所述加热装置安装在一陶瓷衬底上作为铂钯丝网印花层，所述电阻的温度相关性是已知的。在所述保护加热的阶段期间，必须引入一预设的电功率，这只有通过根据本发明的在所述脉冲宽度调制的一个脉冲期间的电压和电流的确定来精确地实现。
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电路。
具体实施方式
图1示出了用于电消耗器19的功率控制10的电路。在此，该实施例涉及拉姆达探测器的电加热器的功率控制10，所述拉姆达探测器布置在一内燃机的废气通道中。为了加热而需要的电能从一具有正极12和负极13的电池11中或者从由所述内燃机驱动的具有12伏或24伏的标称电压的发电机中提取，并且从其正极12经由一功率终放极15的第一馈电线电阻14进行输送，所述功率终放极是一发动机控制单元（ECU）的一部分。作为所述功率终放极15中的开关元件，设置一MOSFET16（金属氧化物半导体场效应晶体管）。所述电池11的正极12还经由一第二馈电线电阻17与所述电消耗器19连接。所述MOSFET16一方面与所述电池11的负极13并且另一方面经由一第三馈电线电阻18与所述电消耗器19连接。
在运行中向所述功率终放极15输送一脉冲宽度调制信号，从而所述MOSFET16将所述电消耗器19经由所述第二馈电线电阻17和所述第三馈电线电阻18与所述电池11以预设的占空比进行连接并且再次分开该连接。由此可以根据一预设值在所述电消耗器19中释放一平均的实际功率。在此，经由一设置在所述功率终放极中的电流测量，确定了流动的电流的时间曲线。与在所述电消耗器19上的电压降的时间曲线一起，可以确定所述电功率时间曲线以及所述电消耗器19的电阻（以及其时间曲线）。在一种替选的实施方式中，也可以在所述功率终放极之外在所述ECU（发动机控制单元）之内或之外的另一位置处设置所述电流的确定。
在所示的实施例中，在所述功率终放极15中的MOSFET16与所述电池11的负极13连接且因此实施成“低边开关”。
在一种替选的实施方式中，所述MOSFET16也可以与所述电池11的正极12连接并且所述电消耗器19经由所述第三馈电线电阻18与所述电池11的负极13连接。在此情况下，所述MOSFET16被称作“高边开关”。
该方法在功率控制10中的很小的位置需求的情况下可以以一很小的硬件耗费进行转换。所述应用是不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极15的类型无关地来使用。有利的是，在具有可变的、例如与温度相关的电阻的电消耗器19的情况下，可以维持一预设的电功率。

Claims (13)

1. 用于利用一功率终放极（15）对一电消耗器（19）进行功率控制的方法，其中，所述功率控制经由一具有能调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来进行，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成，并且其中，求出所述电消耗器（19）上的一电压曲线，其特征在于，求出一通过所述电消耗器（19）的电流曲线，从所述电压曲线和所述电流曲线中确定一在所述电消耗器（19）中释放的实际功率，将所述实际功率与一预设的额定功率进行比较，并且以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际功率与所述额定功率相应。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压和电流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，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和电流值中求出所述电压和电流曲线，并且将所述模拟-数字-转换器的采样时间点与所预期的电压和电流曲线进行匹配。
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缘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入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，所述电压和电流曲线在脉冲宽度调制的每个周期期间或者在预设的周期选择期间进行确定。
6. 按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在各采样时间点将所述电消耗器（19）上的电压和电流值相乘而得出功率值，使得如此获得的功率值与所述脉冲宽度调制的实际采样率和周期持续时间相关联并且进行总和，并且从如此获得的总和中确定实际的平均功率。
7. 按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，使用一能够变化的采样率，在各采样时间点确定所述电消耗器（19）上的功率值，由所述功率值乘以从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来形成所述总和，并且从如此获得的总和中确定所述实际的平均功率。
8. 按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，从在实际的平均实际功率和预设的额定功率的比中形成一因数，并且将所述脉冲宽度调制的占空比利用该因数进行修正，或者从实际的平均实际功率和预设的平均额定功率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。
9. 按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，从在与所述消耗器串联的电阻的电压降中确定通过所述电消耗器（19）的电流。
10. 按照权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，从通过所述电消耗器（19）的电流以及在所述电消耗器（19）上的电压中确定所述电消耗器的电阻和/或如此调节所述脉冲宽度调制的占空比，使得实现所述电消耗器（19）的一预设的电阻。
11. 按照权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，从所述电消耗器（19）上的电流和电压的曲线中导出诊断和保护函数和/或从所述电消耗器（19）的电阻的曲线中确定所述电消耗器（19）的温度曲线和/或如此控制所述脉冲宽度调制，使得在一个脉冲期间不超过最大和最小温度之间的差值的预设的最大值。
12. 利用一功率终放极（15）对一电消耗器（19）进行功率控制的装置，所述功率终放极利用一具有能调节的占空比的脉冲宽度调制（PWM）来操控，其中，所述脉冲宽度调制的周期由一接入区域、一断开区域和两个边沿区域形成，并且其中，所述装置包括用于确定一在所述电消耗器（19）上的电压曲线的器具，其特征在于，所述装置包括用于确定一通过所述电消耗器（19）的电压曲线的器具，所述装置包括一用于计算放出到所述电消耗器（19）上的实际的平均功率的程序流程，所述装置包括一用于将所述实际的有效实际功率与一预设的有效额定功率进行比较的比较级，并且所述装置设置用于，以如下方式改变所述脉冲宽度调制的占空比，使得所述实际的平均实际功率与所述预设的平均额定功率相应。
13. 按照前述权利要求中任一项所述的方法和装置的应用，用于对一内燃机的废气管道中的废气探测器的电加热器进行功率控制。
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