DE10039428A1 - Treiberschaltung - Google Patents

Treiberschaltung

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Abstract

Treiberschaltung für einen elektrischen Aktor (1), insbesondere für ein elektromotorisch betätigtes Abgasventil einer Brennkraftmaschine, mit einem ersten Signaleingang zur Aufnahme eines Soll-Werts (X¶SOLL¶) für die Aktorstellung, einem zweiten Signaleingang zur Aufnahme eines Ist-Werts (X¶IST¶) der Aktorstellung, einem Signaleingang zur Abgabe einer Steuergröße (F¶G¶) für den Aktor (1) sowie mit einer eingangsseitig mit den beiden Signaleingängen und ausgangsseitig mit dem Signaleingang verbundenen Regeleinheit (6) zur Bestimmung der Steuergröße (F¶G¶) für den Aktor (1) in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem Soll-Wert (X¶SOLL¶) und dem Ist-Wert (X¶IST¶), wobei eine eingangsseitig mit dem ersten Signaleingang verbundene Steuereinheit (5) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Soll-Wert (X¶SOLL¶) der Aktorstellung die Steuergröße für den Aktor (1) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen elekt­ rischen Aktor, insbesondere für ein elektromotorisch betätig­ tes Abgasventil einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbeg­ riff des Anspruchs 1.
Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, die zur Steuerung des von dem Abgastrakt zum Ansaugtrakt zurückgeführten Abgas­ stroms ein elektromotorisch betätigtes Abgasventil aufweisen, das auch als EGR-Ventil (EGR - Exhaust Gas Recirculation) be­ zeichnet wird. Die. Ansteuerung des Abgasventils erfolgt hier­ bei durch einen Aktor in Form eines Elektromotors, der über ein Getriebe auf das Abgasventil wirkt. Der Aktor wird wie­ derum von einer Treiberschaltung angesteuert, die eingangs­ seitig den Soll-Wert für die Stellung des Abgasventils und den Ist-Wert der Stellung des Abgasventils aufnimmt, und den Aktor in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem Soll- Wert und dem Ist-Wert ansteuert, wobei die Treiberschaltung einen PI-Regler aufweist, um die gewünschte Stellung des Ab­ gasventils einerseits möglichst schnell und andererseits mög­ lichst genau einzustellen.
Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Treiber­ schaltung ist die Tatsache, dass der Aktor bei einer Ausle­ gung des PI-Reglers auf eine möglichst genaue Einstellung des Abgasventils ein unbefriedigendes dynamisches Verhalten auf­ weist.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Treiberschaltung dahingehend zu verbes­ sern, dass der Aktor einerseits möglichst schnell und ande­ rerseits möglichst genau die gewünschte Stellung einnimmt.
Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Treiberschaltung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, in der Treiberschaltung zur Ansteuerung des Aktors zusätzlich zu ei­ ner Regeleinheit auch eine Steuereinheit vorzusehen, welche die Steuergröße für den Aktor in Abhängigkeit von dem Soll­ wert bestimmt.
Vorzugsweise sind die Ausgänge der Steuereinheit und der Re­ geleinheit zusammengeführt, wozu beispielsweise ein Addierer verwendet werden kann. Die Steuereinheit bestimmt hierbei vorzugsweise den Arbeitspunkt des Aktors, während die Regel­ einheit das dynamische Verhalten speziell bei kleineren und mittleren Änderungen des Soll-Werts festlegt.
Vorzugsweise bildet die Steuereinheit hierbei das physikali­ sche Verhalten der Regelstrecke nach, indem beispielsweise die Rückstellkraft bzw. das Rückstellmoment, die Reibungs­ kraft bzw. das Reibmoment und/oder die Trägheitskraft bzw. das Trägheitsmoment berechnet wird.
Die Einstellung des Arbeitspunktes der Treiberschaltung durch die separate Steuereinheit bietet den Vorteil, dass die Re­ geleinheit auf das Kleinsignalverhalten ausgelegt werden kann, was gegenüber der eingangs beschriebenen bekannten Treiberschaltung ein verbessertes dynamisches Verhalten er­ möglicht.
Vorzugsweise besteht die Regeleinheit aus einem herkömmlichen PI-Regler und einem parallel geschalteten Differenzenglied, das auch als DT1-Glied bezeichnet wird. Die Erfindung ist je­ doch hinsichtlich der Auslegung der Regeleinheit nicht auf eine derartige konstruktive Ausgestaltung beschränkt. Viel­ mehr kann die Regeleinheit auch andere Reglertypen beinhalten, wie beispielsweise einen P-Regler, einen PID-Regler oder andere Bauelemente.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Bestimmung der Steuergröße für den Aktor durch die Steuerein­ heit und/oder durch die Regeleinheit auch die Temperatur der Umgebung, des Aktors und/oder des Abgasstroms berücksichtigt. Die Steuereinheit und/oder die Regeleinheit weisen deshalb vorzugsweise einen separaten Signaleingang auf, um ein ent­ sprechendes Temperatursignal von einem Temperatursensor auf­ zunehmen, wobei der Temperatursensor beispielsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen kann.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Aktors in Form eines Blockschaltbildes,
Fig. 2 die Steuereinheit der Treiberschaltung aus Fig. 1 sowie
Fig. 3 die Regeleinheit der Treiberschaltung aus Fig. 1.
Im folgenden wird zunächst der strukturelle Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Treiberschaltung beschrieben, um an­ schließend unter Bezugnahme auf die Beschreibung des struktu­ rellen Aufbaus der Treiberschaltung deren Funktion zu erläu­ tern.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung dient zur Ansteuerung eines Aktors 1, der im wesentlichen aus einem Elektromotor besteht, der über ein zwischengeschaltetes Getriebe ein Ab­ gasventil einer Brennkraftmaschine betätigt, wobei das Abgas­ ventil auch als EGR-Ventil (Exhaust Gas Recirculation) be­ zeichnet wird.
Der Aktor 1 wird von einem elektrischen Umrichter 2 angesteu­ ert, der die Spannung U und den Strom I für den Aktor 1 vor­ gibt.
Darüber hinaus ist der Aktor 1 mit einer Sensoreinheit 3 ver­ bunden, die einen Positionssensor aufweist, der die Stellung des Abgasventils ermittelt und ein entsprechendes Positions­ signal XMess abgibt.
Darüber hinaus weist die Sensoreinheit 3 noch einen Tempera­ tursensor auf, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand in dem Aktor 1 besteht und ein Temperatursignal TIST erzeugt, das die Temperatur der Spulenwicklung des Aktors 1 wieder­ gibt.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Treiberschaltung eine Ansteuerungseinheit 4 auf, die beispielsweise Bestandteil der Motorelektronik der Brennkraftmaschine sein kann und einen Soll-Wert XSOLL für die Stellung des Abgasventils vorgibt.
Ausgangsseitig ist die Ansteuerungseinheit 4 zum einen mit einer Steuereinheit 5 und zum anderen mit einer Regeleinheit 6 verbunden, wobei die Steuereinheit 5 detailliert in Fig. 2 dargestellt ist, wohingegen der schaltungstechnische Aufbau der Regeleinheit 6 aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Die Steuereinheit 5 ist eingangsseitig zum einen mit der An­ steuerungseinheit 4 und zum anderen mit dem Temperatursensor der Sensoreinheit 3 verbunden und berechnet in Abhängigkeit von dem Soll-Wert XSOLL und dem Temperaturwert TIST einen Modu­ lationsfaktor FVOR zwischen -100% und +100% für die Puls- Breiten-Modulation der Spannung des Aktors 1, wobei das Über­ setzungsverhältnis Ü des zwischen dem Aktor 1 und dem Abgas­ ventil angeordneten Getriebes berücksichtigt wird.
Die Regeleinheit 6 ist dagegen eingangsseitig zum einen mit der Ansteuerungseinheit 4 und zum anderen mit einem Kennlinienglied 7 verbunden, wobei das Kennlinienglied 7 wiederum mit dem Positionssensor der Sensoreinheit 3 verbunden ist. Das Kennlinienglied 7 ermittelt hierbei aus dem von der Sen­ soreinheit 3 ermittelten Positionssignal XMess die aktuelle Position XIST des Abgasventils. Die Regeleinheit 6 erhält als Eingangsgrößen also den Soll-Wert XSOLL und den Ist-Wert XIST und berechnet in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert ebenfalls einen Modulationsfaktor FREGEL zwischen -100% und +100% zur Modulation der Aktorspannung.
Ausgangsseitig sind die Steuereinheit 5 und die Regeleinheit 6 durch einen Addierer 8 zusammengeführt, der die Summe FG = FVOR + FREGEL der von der Steuereinheit 5 und der Regeleinheit 6 bestimmten Modulationsfaktoren FVOR bzw. FREGEL berechnet.
Ausgangsseitig ist der Addierer 8 mit einem Begrenzer 9 ver­ bunden, der eingangsseitig zusätzlich mit dem Temperatursen­ sor der Sensoreinheit 3 verbunden ist und den von dem Addie­ rer 8 erzeugten Modulationsfaktor FG auf Werte zwischen -100% und +100% begrenzt, so daß am Ausgang des Begrenzers 9 ein entsprechend begrenzter Modulationsfaktor FG,LIM erscheint.
Im folgenden wird nun anhand des detaillierten Blockschalt­ bildes in Fig. 2 der Aufbau der Steuereinheit 5 beschrieben.
So weist die Steuereinheit 5 eingangsseitig ein Kennlinien­ glied 10 auf, das in Abhängigkeit von dem Soll-Wert XSOLL der Position des Abgasventils ein Rückstellmoment berechnet, wo­ bei das Kennlinienglied 10 ausgangsseitig mit einem Multipli­ zierer 11 verbunden ist, der das von dem Kennlinienglied 10 berechnete Rückstellmoment mit dem Übersetzungsverhältnis Ü des zwischen dem Aktor 1 und dem Abgasventil angeordneten Ge­ triebes multipliziert und dadurch ein von dem Aktor 1 aufzu­ bringendes Rückstellmoment MRÜCK berechnet.
Weiterhin weist die Steuereinheit 5 eingangsseitig einen Dif­ ferenzierer 12 auf, der die zeitliche Ableitung des Sollwertes XSOLL berechnet, was der Bewegungsgeschwindigkeit des Ab­ gasventils entspricht. Ausgangsseitig ist der Differenzierer 12 mit einem weiteren Kennlinienglied 13 verbunden, das aus der zeitlichen Ableitung des Sollwertes XSOLL das von dem Ak­ tor 1 aufzubringende Reibmoment MREIB berechnet.
Ferner verfügt die Steuereinheit 5 über einen weiteren Diffe­ renzierer 14, der die zweite seitliche Ableitung des Soll- Werts XSOLL bildet, was der Beschleunigung des Abgasventils entspricht. Ausgangsseitig ist der Differenzierer 14 mit ei­ nem Kennlinienglied 15 verbunden, das aus der Beschleunigung des Abgasventils das zu überwindende Trägheitsmoment Ma er­ mittelt.
Ausgangsseitig sind die beiden Kennlinienglieder 13, 15 mit einem Addierer 16 verbunden, dessen Ausgangssignal einem wei­ teren Addierer 17 zugeführt wird, der die Summe MGes = MRÜCK + MREIB + Ma berechnet, wobei das auf diese Weise berech­ nete Moment MGes dem von dem Aktor 1 aufzubringenden Gesamtmo­ ment entspricht.
Ausgangsseitig ist der Addierer 17 mit einem Kennlinienglied 18 verbunden, das aus dem Moment MGes anhand einer vorgegebe­ nen aktorspezifischen Kennlinie einen Stromwert I berechnet, wobei das Kennlinienglied 18 ausgangsseitig mit einem Mul­ tiplizierer 19 verbunden ist, der den Stromwert I mit dem Ausgangssignal eines Kennliniengliedes 20 multiplizert, das eingangsseitig mit dem Temperatursensor der Sensoreinheit 3 verbunden ist und den Widerstand der Spulenwicklung des E­ lektromotors berücksichtigt. Am Ausgang des Kennlinienglieds 20 erscheint also der Wert R(TIST) des temperaturabhängigen Widerstands. Dementsprechend berechnet der Multiplizierer 19 einen Spannungswert U, der einem Umrichter 25 zugeführt wird, um den Modulationsfaktor FVOR im Bereich von -100% bis +100% zu berechnen, wobei der Wert des Modulationsfaktors FVOR durch den Soll-Wert XSOLL gesteuert wird.
Im folgenden wird nun anhand des detaillierten Blockschalt­ bildes in Fig. 3 der Aufbau der Regeleinheit 6 beschrieben.
Eingangsseitig weist die Regeleinheit 6 zunächst einen Addie­ rer 21 auf, der die Differenz ΔX = XSOLL - XIST zwischem dem Soll­ wert XSOLL und dem Ist-Wert XIST berechnet.
Ausgangsseitig ist der Addierer 21 mit einem PI-Regler 22 verbunden, der im Hinblick auf die Dynamik des Stellverhal­ tens hauptsächlich als P-Regler betrieben wird. Darüber hin­ aus weist der PI-Regler 22 einen kleinen I-Anteil auf, um ei­ ne ausreichende Genauigkeit der Regeleinheit 6 zu erreichen.
Darüber hinaus ist der Addierer 21 ausgangsseitig mit einem Differenzenglied 23 verbunden, das auch als DT1-Glied be­ zeichnet wird. Das Differenzenglied 23 dient hauptsächlich zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Aktors 1 beim Schließen des Abgasventils, speziell bei mittleren und klei­ neren Sollwertsprüngen.
Ausgangsseitig sind der PI-Regler 22 und das Differenzenglied 23 mit einem Addierer 24 verbunden, der ausgangsseitig den geregelten Modulationsfaktor FREGEL ausgibt.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die voranstehende Beschreibung des strukturellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Treiberschaltung deren Funktion kurz erläutert.
Die Steuereinheit 5 hat im wesentlichen die Aufgabe, in Ab­ hängigkeit von dem Soll-Wert XSOLL den Arbeitspunkt der Trei­ berschaltung einzustellen. Hierzu berechnet die Steuereinheit 5 in Abhängigkeit von dem Soll-Wert XSOLL und der Temperatur TIST einen Modulationsfaktor FVOR, der als Arbeitspunkt geeig­ net ist, um die von der Ansteuerungseinheit 4 vorgegebene ge­ wünschte Stellung des Abgasventils einzustellen.
Die Regeleinheit 6 hat dagegen die Aufgabe, das Kleinsignal­ verhalten der Treiberschaltung bei kleineren und mittleren Änderungen des Sollwertes XSOLL festzulegen. Hierzu wird in Abhängigkeit von der Abweichung ΔX = XSOLL - XIST zwischen dem Soll-Wert XSOLL und dem Ist-Wert XIST ein weiterer Modulations­ faktor FREGEL berechnet, der zu dem gesteuerten Modulationsfak­ tor FVOR addiert wird.
Die Steuereinheit 5 gibt also das stationäre Verhalten der Treiberschaltung vor, während die Regeleinheit 6 das dynami­ sche Verhalten bestimmt. Diese Funktionstrennung zwischen der Steuereinheit 5 und der Regeleinheit 6 ermöglicht eine Opti­ mierung der Regeleinheit 6 in Richtung eines guten dynami­ schen Verhaltens.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be­ vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims (12)

1. Treiberschaltung für einen elektrischen Aktor (1), insbe­ sondere für ein elektromotorisch betätigtes Abgasventil einer Brennkraftmaschine, mit
einem ersten Signaleingang zur Aufnahme eines Soll-Werts (XSOLL) für die Aktorstellung,
einem zweiten Signaleingang zur Aufnahme eines Ist-Werts (XIST) der Aktorstellung,
einem Signalausgang zur Abgabe einer Steuergröße (FG) für den Aktor (1), sowie mit
einer eingangsseitig mit den beiden Signaleingängen und aus­ gangsseitig mit dem Signalausgang verbunden Regeleinheit (6) zur Bestimmung der Steuergröße (FG) für den Aktor (1) in Ab­ hängigkeit von der Abweichung zwischen dem Soll-Wert (XSOLL) und dem Ist-Wert (XIST),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine eingangsseitig mit dem ersten Signaleingang verbun­ dene Steuereinheit (5) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Soll-Wert (XSOLL) der Aktorstellung die Steuergröße (FG) für den Aktor (1) bestimmt.
2. Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) und die Regeleinheit (6) ausgangs­ seitig zusammengeführt sind.
3. Ansteuerungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit und die Regeleinheit ausgangsseitig durch einen Addierer (8) zusammengeführt sind.
4. Ansteuerungseinheit nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (6) einen PI-Regler (22) und ein Diffe­ renzenglied (23) aufweist.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PI-Regler (22) und das Differenzglied (23) parallel zueinander geschaltet sind.
6. Treiberschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) eine erste Recheneinheit (10, 11) aufweist, die aus dem Soll-Wert (XSOLL) der Aktorstellung die Rückstellkraft oder das Rückstellmoment (MRÜCK) berechnet.
7. Treiberschaltung nach mindestens einem der vorgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) einen ersten Differenzierer (12) aufweist, der die zeitliche Änderung des Soll-Werts (XSOLL) der Aktorstellung berechnet, wobei dem ersten Differenzierer (12) eine zweite Recheneinheit (13) nach geschaltet ist, die aus der zeitlichen Änderung des Sollwerts der Aktorstellung die Reibungskraft oder das Reibmoment (MREIB) berechnet.
8. Treiberschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) einen zweiten Differenzierer (14) aufweist, der die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwerts der Aktorstellung berechnet, wobei dem zweiten Differenzierer (14) eine dritte Recheneinheit (15) nachgeschaltet ist, die aus der Änderungsgeschwindigkeit des Soll-Werts (XSOLL) die Trägheitskraft oder das Trägheitsmoment berechnet.
9. Treiberschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheiten (10, 11, 13, 15) ausgangsseitig zu­ sammengeführt sind.
10. Treiberschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheiten (10, 11, 13, 15) ausgangsseitig durch einen Addierer (16, 17) zusammengeführt sind.
11. Treiberschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme eines Temperaturasignals (TIST) ein dritter Signaleingang vorgesehen ist, wobei die Regeleinheit (6) und/oder die Steuereinheit (5) eingangsseitig mit dem dritten Signaleingang verbunden sind.
12. Treiberschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den zweiten Signaleingang ein Positionssensor ange­ schlossen ist.
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