DE10025579A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, wird in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) eine Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges oder des Spannungsmeßzweiges zur Ermittlung von Korrekturfaktoren vorgenommen, mit denen die gemessenen Werte von Ladung Q und Stellgliedspannung U¶P¶ bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines ka­ pazitiven Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffein­ spritzventil einer Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 2 oder 4.
Mittels gemessener Ladung und Spannung am Ende eines Ladevor­ gangs wird die der Temperatur des Stellgliedes etwa proporti­ onale Kapazität desselben und die ihm zugeführte Energie zur Durchführung einer Hubbewegung ermittelt, mit einem Sollwert verglichen und entsprechend der Abweichung der Energiebetrag für den nächsten Ladevorgang bestimmt. Eine derartige Ein­ richtung ist aus DE 196 52 801 C1 bekannt.
Von der Meßgenauigkeit der Spannungsmeßstrecke und insbeson­ dere der Ladungsmeßstrecke wird bestimmt, wie genau die Kapa­ zität und damit die Stellgliedtemperatur ermittelt werden kann und wie genau damit der Hub eingeregelt werden kann.
Insbesondere der Meßpfad für die Ladungsmessung bei bekannten Schaltungen hat große Meßtoleranzen. Dies führt zu großen Ab­ weichungen des Stellgliedhubs mit zusätzlichen Fehlern hin­ sichtlich systematischer Temperaturabhängigkeiten und Tole­ ranzen des Piezostellgliedes.
Die Schaltungskomponenten mit den größten Toleranzen sind ein Spannungsteiler aus Widerständen für die Spannungsmessung, eine für die Analog/Digital-Wandlung der gemessenen Werte be­ nötigte Referenzspannung und der Ladungsmeßzweig. Für die Messung von Ladung und Spannung benötigte Schaltungen wie ein Integrator, Sample-and-hold-Schaltungen, und ein Analog/Digi­ tal-Wandler sind Komponenten, die üblicherweise in einem Mo­ torsteuergerät vorhanden sind und teilweise oder ganz in ei­ nem ASIC integriert werden können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern ei­ nes kapazitiven Stellgliedes anzugeben, mittels welcher die Genauigkeit der Messung von Ladung und Spannung erhöht werden kann, um den Hub des Stellgliedes genauer einregeln zu kön­ nen. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1, 2 oder 4 genannten Merkmale gelöst.
Die Erfindung besteht darin, den Ladungsmeßzweig allein oder den Ladungs- und Spannungsmeßzweig einer bekannten Ansteuer­ schaltung eines kapazitiven Stellgliedes eines Kraftstoffein­ spritzventils einer Brennkraftmaschine dahingehend zu erwei­ tern, daß eine "online"-Kalibrierung in Ansteuerpausen, d. h., wenn kein Kraftstoff eingespritzt wird, durchgeführt werden kann, um die durch Temperaturänderungen während des Betriebes und durch Toleranzfehler hervorgerufenen Meßfehler in diesen Meßzweigen zu kompensieren.
Das erfolgt dadurch, daß in Ansteuerpausen des Stellgliedes ein vorgegebener Spannungswert mittels des Ladungsmeßzweiges oder des Spannungsmeßzweiges gemessen, in einen digitalen Wert gewandelt und daraus ein Korrekturfaktor gebildet wird, mit welchem die anschließend gemessenen Werte von Ladung oder Stellgliedspannung vor der Weiterverarbeitung korrigiert wer­ den.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Schaltung zur Messung von Ladung und Spannung an einem Piezostellglied, und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung zur online-Kali­ brierung der Meßpfade dieses Piezostellgliedes.
In Fig. 1 ist eine bekannte Schaltung zur Messung der einem Piezostellglied P während eines Ladevorgangs zugeführten La­ dung Q und der am Ladungsende an ihm abfallenen Spannung UP dargestellt. Ein Piezostellglied P eines nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine ist mit einem Auswahlschalter A und einem Shuntwiderstand R4 in Reihe zwischen einer nicht dargestellten, in einem Motorsteuergerät befindlichen Steuerschaltung ST und einem Bezugspotential GND angeordnet. Weitere Reihenschaltungen nicht dargestellter Piezostellglieder mit ihren Auswahlschaltern sind parallel zu Piezostellglied P und Auswahlschalter A (und in Reihe zum Shuntwiderstand R4) anzuordnen, wenn es sich um eine Mehrzy­ linder-Brennkraftmaschine handelt.
Beide Anschlüsse des Shuntwiderstandes R4 sind über Eingangs­ widerstände R3 und R5 mit einem Integrator INT verbunden, dessen Ausgang über eine Sample-and-Hold-Schaltung SH1 mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers A/D verbunden ist.
Parallel zu Piezostellglied P, Auswahlschalter A und Shuntwi­ derstand R4 ist ein Spannungsteiler R6, R7 vorgesehen, dessen Abgriff über eine weitere Sample-and-Hold-Schaltung SH2 mit einem weiteren Eingang des Analog/Digital-Wandlers A/D ver­ bunden ist, dem auch eine Referenzspannung Vref zugeführt wird. Der Spannungsteiler R6, R7 ist erforderlich, weil die Stellgliedspannung UP in der Regel einen dreistelligen Betrag (beispielsweise 200 V) erreicht, während die Meßschaltung üb­ licherweise mit einer Spannung von 5 V betrieben wird.
Solange das Piezostellglied P bei leitendem Auswahlschalter A geladen wird, fließt ein Ladestrom IP von der Steuerschaltung ST über das Piezostellglied P und den Shuntwiderstand R4 nach GND. Dabei fällt am Shuntwiderstand R4 eine dem Ladestrom IP proportionale Spannung ab. Diese Spannung wird im Integrator INT integriert, solange das Piezostellglied P geladen wird. Am Ende des Ladevorgangs wird der Ausgangswert des Integra­ tors INT in die Sample-and-Hold-Schaltung SH1 übernommen und anschließend im Analog/Digital-Wandler A/D in einen digitalen Wert zur Weiterverarbeitung im Motorsteuergerät gewandelt. Die am Ende des Ladevorgangs am Stellglied abfallende Stell­ gliedspannung UP, d. h., der am Widerstand R7 abfallende, pro­ portionale Teil davon, wird in die weitere Sample-and-Hold- Schaltung SH2 übernommen und im Analog/Digital-Wandler A/D, sobald dieser zeitlich dazu in der Lage ist, in einen digita­ len Wert gewandelt.
Mit den aus Ladung Q und Piezostellgliedspannung UP ermittel­ ten Werten ist die Stellgliedtemperatur T zu bestimmen:
Q = ∫IPdt → CP = Q/UP, wobei die Temperatur T = f(CP); mit
Q = Ladung, IP = Ladestrom und CP = Stellgliedkapazität.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, welche sämtli­ che Komponenten mit ihren Bezugszeichen aus Fig. 1 enthält.
Zusätzlich ist ein Spannungsteiler R1, R2 zwischen Referenz­ spannung Vref und Bezugspotential GND vorgesehen, dessen Ab­ griffspannung über einen Spannungsfolger F dem Analog/Digi­ tal-Wandler A/D und über einen Schalter S1 dem einen Anschluß des Integrators INT zugeführt wird. Ein zweiter Schalter S2 ist zwischen den anderen Anschluß des Integrators INT und Be­ zugspotential GND geschaltet. Über einen Kurzschlußschalter K können beide Eingänge des Integrators INT kurzgeschlossen werden.
Des weiteren ist zwischen dem Abgriff des ersten Spannungs­ teilers R6, R7 und dem Eingang der weiteren Sample-and-Hold- Schaltung SH2 ein Umschalter S3 eingefügt, welcher diesen Eingang entweder mit dem Abgriff des ersten Spannungsteilers R6, R7 oder mit dem Ausgang des Spannungsfolgers F verbindet.
Sämtliche Schalter A, S1, S2, S3, K, der Integrator INT und die beiden Sample-and-Hold-Schaltungen SH1, SH2 werden von dem nicht dargestellten Motorsteuergerät bzw. der in desem integrierten Steuerschaltung ST geschaltet bzw. gesteuert, was in Fig. 2 nicht dargestellt ist.
Um die Genauigkeit der Messung von Ladung und Spannung zu er­ höhen, ist vorgesehen, zwischen den Einspritzvorgängen des Piezostellgliedes P eine "online"-Kalibrierung der Meßzweige vorzunehmen.
Für die Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges, welcher die grö­ ßeren Toleranzen aufweist, werden in Einspritzpausen (Aus­ wahlschalter A nichtleitend) die beiden Schalter S1 und S2 leitend gesteuert, so daß als Eingangsspannung des Integra­ tors INT eine vorgegebene, beispielsweise die Ausgangsspan­ nung VF des Spannungsfolgers F anliegt, die einen Bruchteil der Referenzspannung Vref beträgt: VF = k . Vref, mit 0 < k < 1. Diese Spannungsteilung wird durchgeführt, um eine größen­ mäßig mit der am Shuntwiderstand R4 während der Einspritzvor­ gänge abfallenden Spannung vergleichbare Spannung zu erhal­ ten. Diese Spannung VF wird im Integrator INT mit vorgegebe­ ner Integrationsdauer t integriert, im Analog/Digital-Wandler A/D in einen digitalen (Ist-)Wert VQ ist gewandelt und dieser dann mit einem erwarteten, d. h., berechneten Sollwert VQsoll verglichen.
Entspricht bei der Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges der Istwert VQist nicht dem erwarteten Sollwert VQsoll, kann der gemessene Wert in die durch Offset OF und Verstärkungsfaktor FV verursachten Komponenten aufgeteilt und damit die im Be­ trieb ermittelten Werte korrigiert werden:
für VF = const wird.
Dazu wird bei einer zweiten Messung die Spannung VF im In­ tegrator INT mit einer zweiten, vorgegebenen Integrationsdau­ er integriert (diese Messungen können auch durch zwei aufein­ anderfolgende Messungen mit unterschiedlichen Spannungen und gleichen Integrationsdauern durchgeführt werden).
Bei zwei Messungen mit ein und derselben Spannung VF und un­ terschiedlichen Integrationsdauern t1 und t2 erhält man im Koordinatensystem (auf der x-Achse - Abszisse - sind die In­ tegrationsdauern t aufgetragen, auf der y-Achse - Ordinate - das Meßergebnis, d. h., die Ausgangswerte VQ ist des Analog- Digital-Wandlers A/D) zwei Punkte.
Der Abstand vom Nullpunkt des Koordinatensystems zum Schnitt­ punkt der durch diese zwei Punkte gehenden Geraden mir der Ordinate entspricht dem Offsetfehler FO (oder einem diesem zugeordneten Wert), während die Steigung dieser Geraden den Verstärkungsfaktor bzw. dessen Fehler Fvist darstellt.
Der Abstand vom Nullpunkt zum Schnittpunkt dieser Geraden mit der Ordinate, d. h., der Offset, kann auch einfach - als zwei­ te Messung bei Verwendung unterschiedlicher Spannungen und ein und derselben Integrationsdauer - beispielsweise durch Kurzschließen der Integrator-Eingänge mittels des Kurzschluß­ schalters K und Integrieren dieses (zweiten) Spannungswertes 0 V mit derselben Integrationsdauer t (wie beim Integrieren mit der Eingangsspannung VF) ermittelt werden.
Die während wenigstens des nächsten Ladevorgangs dem Stell­ glied zugeführte Ladung Q wird dann dahingehend korrigiert, daß der korrigierte Wert Q' bestimmt wird zu:
Q = Q . FVist/FVsoll + FO
Entspricht bei der Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges der Istwert VQ ist dem erwarteten Sollwert VQ soll (keine Fehler des Verstärkungsfaktors, kein Offsetfehler - die Gerade im Koordinatensystem geht durch den Nullpunkt mit einer Steigung von 45°), so braucht keine Korrektur vorgenommen zu werden und es ist:
Q' = Q.
Entsprechen die zu integrierende Eingangsspannung VF und die Integrationsdauer den Werten, die während der Ladungsmessung bei den Einspritzvorgängen verwendet werden, so brauchen die durch Offset OF und Verstärkungsfaktor FV verursachten Fehler nicht separat bestimmt zu werden. Es kann ein Korrekturfaktor VQist/VQsoll von gemessenem Istwert VQist und vorgegebenem Sollwert VQ soll bestimmt werden, mit welchem dann die folgen­ den, während des Einspritzbetriebes ermittelten Ladungs-Meß­ ergebnisse korrigiert werden. Der korrigierte Ladungswert Q' ist dann:
Q = Q . VQist/VQsoll.
Auf diese Weise können die temperaturbedingten Toleranzen des Ladungsmeßzweiges wesentlich verringert und der Stellgliedhub genauer ermittelt werden.
Werden die Spannungen VF und VQ ist mit ein und demselben Ana­ log/Digital-Wandler A/D bestimmt, so wird das Meßergebnis durch eine von ihrem Sollwert abweichende Referenzspannung Vref bzw. einem von ihr abgeleiteten Wert VF nicht beein­ flußt.
Die Toleranzen des Spannungsmeßzweiges fallen in der Regel geringer aus, so daß gegebenenfalls auf eine online-Kalibrie­ rung des Spannungsmeßzweiges verzichtet werden kann. Wird sie jedoch durchgeführt, so kann der Stellgliedhub nochmals etwas genauer ermittelt und geregelt werden. Da durch die Kalibrie­ rung wesentliche Fehler korrigiert werden, können in unkriti­ schen Bereichen auch preiswertere Bauteile mit größeren zu­ lässigen Toleranzen verwendet werden, wodurch die gesamte Meß- und Kalibriereinrichtung preiswerter gestaltet werden kann.
Für die etwas einfacher, weil ohne Integration durchzuführen­ de online-Kalibrierung des Spannungsmeßzweiges wird in Ein­ spritzpausen (Auswahlschalter A nichtleitend) der Umschalter S3 in eine Stellung gesteuert, in welcher am Eingang der wei­ teren Sample-and-Hold-Schaltung SH2 eine vorgegebene Span­ nung, beispielsweise wieder die Ausgangsspannung VF des Span­ nungsfolgers F anliegt und übernommen wird. Die Spannung VF wird im Analog/Digital-Wandler A/D in einen digitalen Istwert VUist gewandelt und dieser dann mit dem ebenfalls digitali­ sierten Wert von VF, dem Sollwert VUsoll, verglichen. Nun wird ein Korrekturfaktor VUist/VUsoll von gemessenem Istwert VUist und vorgegebenem Sollwert VU soll ermittelt, mit welchem dann die folgenden, während des Einspritzbetriebes ermittel­ ten, digitalisierten Spannungsmeßwerte multipliziert werden.
Eine Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges oder des Spannungs­ meßzweiges muß nicht in Ansteuerpausen nach jeder Stellglied­ betätigung durchgeführt werden. Da sich die Temperatur we­ sentlich langsamer ändert, genügt es, wenn eine Kalibrierung in vorgegebenen Zeitabständen, nach einer vorgegebenen Zahl von Stellgliedbetätigungen durchgeführt wird.
Restliche, nicht oder nur sehr aufwendig zu bestimmende Ka­ librierungsfehler werden durch Zeitfehler der Integrations­ zeit t, durch Quantisierungsfehler des Analog/Digital-Wand­ lers A/D und - wenn die gemessenen Spannungen nicht gleiche Größenordnungen aufweisen - durch Linearitätsfehler des Ana­ log/Digital-Wandlers A/D verursacht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P), insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einem Ladungsmeßzweig zum Messen der dem Stellglied (P) während eines Ladevorgangs zugeführten La­ dung Q, und mit einem Spannungsmeßzweig zum Messen der an dem Stellglied (P) am Ende eines Ladevorgangs anliegenden Stell­ gliedspannung UP, mit Umwandlung der gemessenen Werte Q und UP in digitale Werte, dadurch gekennzeichnet, daß in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) ein vorgegebener Spannungswert UF mittels des Ladungsmeßzweiges oder des Span­ nungsmeßzweiges gemessen, in einen digitalen Wert gewandelt und daraus ein Korrekturfaktor gebildet wird, mit welchem die anschließend gemessenen Werte von Ladung Q oder Stellglied­ spannung UP vor der Weiterverarbeitung korrigiert werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Ladungsmeßzweig, bestehend wenigstens aus einem mit dem Stellglied in Reihe liegenden Shuntwiderstand (R4), einem Integrator (INT) und einem Analog/Digital-Wandler (A/D), zum Messen der dem Stellglied (P) während eines Lade­ vorgangs zugeführten Ladung Q und Umwandlung in einen digita­ len Wert, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein mit dem einen Eingang des Integrators (INT) verbundener, erster Schalter (S1) vorgesehen ist, über welchen an diesen Eingang eine vorgegebene Spannung VF anlegbar ist, und
  • - daß ein mit dem anderen Eingang des Integrators (INT) ver­ bundener, zweiter Schalter (S2) vorgesehen ist, über welchen dieser Eingang auf Bezugspotential GND legbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Eingängen des Integrators (INT) ein Kurz­ schlußschalter (K) angeordnet ist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Spannungsmeßzweig, bestehend wenigstens aus einem parallel zum Stellglied (P) angeordneten Spannungs­ teiler (R6, R7), und einem Analog/Digital-Wandler (A/D) zum Umwandeln der an dem Stellglied (P) am Ende eines Ladevor­ gangs anliegenden Stellgliedspannung UP in einen digitalen Wert VUist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers (A/D) für die Stellgliedspannung UP verbundener Umschalter (S3) vorge­ sehen ist, über den an diesen Eingang wahlweise die Stell­ gliedspannung UP oder eine vorgegebene Spannung VF anlegbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zur Kalibrierung des Ladungsmeßzweiges der erste Schal­ ter (S1) und der zweite Schalter (S2) leitend gesteuert werden, daß die dadurch am Integrator (INT) anliegende Spannung VF während einer vorgegebenen Integrationsdauer t integriert, in einen digitalen Istwert VQist gewandelt und mit einem vor­ gegebenen Sollwert VQsoll verglichen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) ermittelte Ladungswert Q unkorrigiert weiterverarbeitet wird, wenn der Istwert VQist gleich dem Sollwert VQsoll ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vom Sollwert VQsoll abweichenden Istwert VQist der bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) ermittelte Ladungswert Q mit einem einem Verstärkungsfehler zugeordneten Faktor FVist/FVsoll multipli­ ziert und zu dem Produkt ein einem Offsetfehler zugeordneter Faktor FO addiert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vom Sollwert VQsoll abweichenden Istwert VQist der bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) ermittelte Ladungswert Q mit einem einem Verstärkungsfehler zugeordneten Faktor FV ist/FV soll multipli­ ziert wird, wenn die zu integrierende Eingangsspannung VF und die Integrationsdauer t den Werten entsprechen, die wäh­ rend der Ladungsmessung bei den Einspritzvorgängen verwendet werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 7 oder S. da­ durch gekennzeichnet, daß Verstärkungsfehler und Oftseffehler durch zwei aufeinanderfolgende Integrationsvorgänge einer konstanten Spannung mit unterschiedlichen Integrationsdauern oder zweier unterschiedlicher Spannungen mit konstanter In­ tegrationsdauer ermittelt werden, wobei eine dieser Spannun­ gen - 0V - durch Kurzschließen der Integratoreingänge mittels des Kurzschlußschalters (K) herstellbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zur Kalibrierung des Spannungsmeßzweiges dem Analog/- Digital-Wandler (A/D) über den Umschalter (53) eine vorgege­ bene Spannung VF zugeführt, in einen digitalen Istwert VUist gewandelt und mit einem vorgegebenen Sollwert VQsoll verglichen wird,
  • - daß der bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervor­ gang des Stellgliedes (P) ermittelte Wert UP unkorrigiert weiterverarbeitet wird, wenn der Istwert VUist gleich dem Sollwert VUsoll ist, und
  • - daß bei einem vom Sollwert VUsoll abweichenden Istwert Vuist der bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervor­ gang des Stellgliedes (P) ermittelte Wert der Stellgliedspan­ nung UP vor der Weiterverarbeitung mit einem Korrekturfaktor VUist/VUsoll multipliziert wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierung des Ladungsmeß­ zweiges oder des Spannungsmeßzweiges in vorgegebenen Zeitab­ ständen oder nach einer vorgegebenen Zahl von Stellgliedbetä­ tigungen durchgeführt wird.
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