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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung mehrerer
Aktoren, die jeweils mit einem Puls oder einer Sequenz von Pulsen
angesteuert werden, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung mehrerer
Aktoren.
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Hintergrund
der Erfindung sind Verfahren und Vorrichtungen für eine mehrkanalige Pulsgenerierung
zur Kurbelwellenwinkel- oder Zeit-bezogenen Ansteuerung mehrerer
Stellsysteme (Aktoren) bzw. deren Endstufen, wie beispielsweise
Stellsysteme für Zündung, Einspritzung
und variable Steuerung von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors
in einem Kraftfahrzeug.
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Solche
Systeme sowie Verfahren und Vorrichtungen für eine mehrkanalige Pulsgenerierung zur
Ansteuerung solcher Systeme sind Stand der Technik und in diversen
Ausführungen
bekannt.
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Die
Erfindung hebt speziell ab auf Verbrennungsmotoren bzw. Kraftfahrzeuge
mit einem hohen Ausrüstungsgrad
im Hinblick auf die beispielhaft genannten Stellsysteme, beispielsweise
Motoren, die mit einer nockenwellenfreien elektrohydraulischen Ventilsteuerung
(EHVS) zur direkten Betätigung
von Gaswechselventilen ausgerüstet
sind.
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Die
grundsätzliche
Ausführung
eines EHVS-Systems sowie die mit seinem Einsatz in Verbrennungsmotoren
verbundenen Vorteile in Bezug auf Verbrauch und Emissionen sind
bekannt. Darüber
hinaus sind Weiterentwicklungen des grundlegenden Systemkonzepts
sowie Verfahren und Funktionen für
den Betrieb resp. die Steuerung solcher Systeme beschrieben worden.
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Der
Verstellvorgang eines beispielhaften EHVS-Ventilstellers – siehe 1 – wird mittels
hydraulischer Druckkraft bewirkt. Die Steuerung erfolgt mittels
zweier elektrohydraulischer Steuerventile MV1 und MV2, von denen
das erstere für
die Steuerung des hochdruckseitigen Ölzuflusses beim Öffnen und
das letztere für
den Druckabbau beim Schließen des
Stellers zuständig
ist. Dieses Prinzip ermöglicht es,
die Parameter "Öffnen", "Schließen" und "Hub" der Ventilbewegung
beliebig und individuell für
die so betätigten
Gaswechselventile einzustellen.
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Die
Steuerventile MV1 und MV2 sind bei einem typischen bekannten Systemaufbau
als 2/2-Ventile
mit zwei Positionen und Anschlüssen
gestaltet und elektromagnetisch angetrieben. Das Magnetventil MV1
ist stromlos geschlossen, MV2 stromlos offen.
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Bei
einem hohen Ausrüstungsgrad
eines Verbrennungsmotors resp. Kraftfahrzeugs mit den genannten
Stellsystemen und insbesondere bei Verwendung einer EHVS und Motoren
mit größerer Anzahl
von Arbeitszylindern ergibt sich die Notwendigkeit, eine sehr große Zahl
von Ansteuersignalen zur Ansteuerung der entsprechenden großen Zahl
von Aktoren zeitlich parallel und Schritt haltend mit der Abfolge
der Arbeitsspiele des Motors bzw. der Arbeitszylinder des Motors
erzeugen zu müssen.
Beispielsweise werden zur Ansteuerung der Magnetventile MV1 und
MV2 eines EHVS-Stellers zwei zeitlich parallele gepulste Ansteuersignale
benötigt,
die jeweils aus mindestens einem Einzelpuls bestehen. Beispielhaft
ergibt dies bei einem Motor mit sechs Zylindern und vier Gaswechselventilen
pro Zylinder eine Anzahl von 6 mal 4 mal 2, d.h. 48 unabhängigen (logischen)
Ansteuerkanälen,
wobei jeder Kanal nach Lage und Dauer variable Ansteuerpulse zur
Ansteuerung eines spezifischen Magnetventils MV1 oder MV2 erzeugt.
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Nach
dem Stand der Technik bekannte Lösungen
verwenden für
die Zwecke der Ansteuerpulsgenerierung z.B. programmierbare Peripheriebausteine
von Standardcontrollern für
Motorsteuergeräte,
wie beispielsweise eine "Time
Processing Unit" (TPU)
des Mikrocontrollers MPC555 des US-amerikanischen Herstellers Motorola,
oder generische bzw. anwendungsspezifische Hardwarebausteine, die
mit einer entsprechenden Anzahl paralleler Timer-Compare-Einheiten
ausgerüstet
sind. Hinzu kommt eine externe Triggerung in Abhängigkeit regelmäßiger Winkelinkremente
der Kurbelwelle, wobei diese Triggerung z.B. von den mittels Induktivgeber
oder Hall-Geber detektierten Zahnflanken eines Inkrementgeberrades
ausgeht.
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Probleme des Standes der Technik
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Diese
bekannten Lösungen
sind generell – und
insbesondere in den genannten Beispielfällen – mit dem Nachteil hoher, oft
mit der Zahl der Arbeitszylinder sprunghaft ansteigender Kosten
behaftet. Die in obigem Beispielfall benötigten 48 Ansteuerkanäle der Magnetventile
MV1 und MV2 sind z.B. bei einer nach dem Stand der Technik bekannten
TPU-basierten Lösung,
bei der jeder solche Ausgabekanal einen internen Kanal der TPU belegt,
nicht mehr mit einem einzelnen Mikrocontroller machbar. Selbst eine
prinzipiell verfügbare,
kostspieligere Variante dieses Controllers mit drei TPU-Bausteinen "on-chip" reicht dafür nicht
aus, so dass allein aus Gründen
der benötigten
TPU-Funktionalität
bereits zwei Controller benötigt
würden.
Wenn die damit verbundenen hohen Kosten vermieden werden sollen,
sind auf der anderen Seite funktionale Einschränkungen, z.B. durch eine parallele
gleichartige Ansteuerung zweier Auslassventile eines Zylinders auf
Basis eines einzelnen Ansteuerkanals, unvermeidlich.
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Andererseits
erweist sich auch die Alternative einer dedizierten Peripherie-Hardware
im vorliegenden Fall als besonders aufwändig und kostspielig. Dafür ist insbesondere
die benötigte
Kurbelwinkel-abhängige
Generierung von Pulsflanken ursächlich,
die spezielle digitale Auswerteschaltungen bedingt und daher im
typischen Falle eine Realisierung mittels einer digitalen Hardware
erfordert, die neben den benötigten
Kanälen
zur Pulsgenerierung eine schaltungstechnisch mit diesen Kanälen verknüpfte digitale
Geberradauswertung zur fortlaufenden Ermittlung der aktuellen Kurbelwellenposition
enthält. Diese
Hardware kann beispielsweise als ASIC oder mittels eines programmierbaren
Gate-Arrays dargestellt werden, wobei eine sehr hohe Zahl von benötigten Kanälen solche
Lösungen
prinzipiell kostspielig werden lässt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kurbelwellenwinkel-
oder Zeit-bezogene Ansteuerung einer größeren Zahl von Aktoren, wie eingangs
beispielhaft genannt, auf eine effizientere und gegenüber dem
Stand der Technik kostengünstigere
Weise darzustellen. Dabei sollen Möglichkeiten zum Einsparen von
Ressourcen bei der Ansteuerpulsgenerierung genutzt werden, die der
beschriebene Anwendungskontext bietet.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Anordnung zur Ansteuerung mehrerer Aktoren, die jeweils mit
einem Puls oder einer Folge von Pulsen angesteuert werden, wobei
eine zeitliche Beziehung zwischen den Pulsen für verschiedene Aktoren besteht, wobei
die Anordnung eine erste Pulsgenerierungseinheit sowie eine zweite
Pulsgenerierungseinheit mit mindestens einem Eingang und Ausgängen für mindestens
einen Teil der Aktoren umfasst, wobei die zweite Pulsgenerierungseinheit
mit mindestens einem Triggerpuls von der ersten Pulsgenerierungseinheit
angesteuert wird und ihrerseits Ansteuerpulse für mindestens einen Teil der
Aktoren anhand der zeitlichen Beziehung erzeugt, die zwischen diesen Ansteuerpulsen
untereinander und/oder zwischen diesen Ansteuerpulsen und dem mindestens
einen Triggerpuls besteht. Die Aktoren können beliebige elektrisch angesteuerte
Stellglieder bzw. deren Endstufen sein, beispielsweise elektrohydraulische
Steuerventile, insbesondere Magnetventile, einer elektrohydraulischen
Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Pulsgenerierungseinheit
einen Datenspeicher zur Ablage der zeitliche Beziehung zwischen den
Ansteuerpulsen verschiedener Aktoren und/oder der zeitlichen Beziehung
zwischen diesen Ansteuerpulsen und dem mindestens einen Triggerpuls
sowie eine Einrichtung zur Generierung der Ansteuerpulse aus dem
mindestens einen Triggerpuls und der zeitlichen Beziehung zwischen
den Pulsen umfasst. Unter Datenspeicher wird hier sowohl eine feste
Kodierung in Hardware als auch ein beschreibbarer Datenspeicher
verstanden.
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Die
zeitliche Beziehung zwischen den Ansteuerpulsen verschiedener Aktoren
kann durch die erfindungsgemäße Anordnung
zur Ansteuerung der Aktoren fest vorgegeben sein, insbesondere wenn diese
Beziehung fest in Hardware kodiert ist. Alternativ kann die zeitliche
Beziehung zwischen den Pulsen verschiedener Aktoren im laufenden
Betrieb der Anordnung veränderbar
sein. Damit ist gemeint, dass z.B. ein Steuergerät und/oder eine Steuerungsfunktion
die zeitliche Beziehung zwischen den Pulsen verschiedener Aktoren
verändern
kann, z.B. durch Verändern
zugeordneter Werte in einem Register eines Prozessors oder von Speicherzellen
eines Speichers der ersten und/oder der zweiten Pulsgenerierungseinheit.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Datenspeicher der ersten
und/oder der zweiten Pulsgenerierungseinheit über einen Datenbus mit einem
Steuergerät
beziehungsweise einem Prozessor eines Steuergeräts verbunden ist und über diesen Datenbus
beschreibbar ist.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Pulsgenerierungseinheit
einen Zeitgeber umfasst. Der Zeitgeber (Timer) ermöglicht es
der zweiten Pulsgenerierungseinheit, ohne äußere Zeitsignale beispielsweise
eines übergeordneten
Steuergerätes
zu arbeiten und die zeitliche Beziehung zwischen den Pulsen verschiedener
Aktoren selbständig herzustellen.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Pulsgenerierungseinheit über eine
Daten- oder Signalleitung mit dem Steuergerät oder Prozessor eines Steuergeräts verbunden
ist, auf dem eine Steuerungsfunktion ausgeführt wird, die für die Berechnung
bzw. Vorgabe der Ansteuerungen der Aktoren zuständig ist. Über die Daten- bzw. Signalleitung kann
die zweite Pulsgenerierungseinheit Rückmeldungen an das Steuergerät bzw. den
Prozessor senden, beispielsweise auch in Form von Interrupts.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur
Ansteuerung mehrerer Aktoren, die jeweils mit mindestens einem Puls
angesteuert werden, wobei eine zeitliche Beziehung zwischen den
Pulsen für
verschiedene Aktoren besteht, wobei die Ansteuerung über mindestens
einen Triggerpuls einer ersten Pulsgenerierungseinheit am Eingang
einer zweiten Pulsgenerierungseinheit erfolgt und die zweite Pulsgenerierungseinheit
die Pulse an ihren Ausgängen
für mindestens
einen Teil der Aktoren anhand der zeitlichen Beziehung zwischen
den Ansteuerpulsen für
die Aktoren und/oder zwischen den Ansteuerpulsen und dem mindestens
einen Triggerpuls erzeugt.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Triggerpuls
zur Ansteuerung der zweiten Pulsgenerierungseinheit als Differenz
der Ansteuerpulse zweier Aktoren gebildet wird und die zweite Pulsgenerierungseinheit
daraus die Ansteuerpulse der beiden Aktoren erzeugt. Durch die Differenzbildung
werden die beiden zeitlich parallelen Ansteuerpulse gemultiplext,
mit dem Vorteil, dass die für die
Ansteuerung bestimmenden Signalflanken mittels eines einzigen Pulsgenerierungskanals
der ersten Pulsgenerierungseinheit, beispielsweise einer genannten
TPU, erzeugt werden können.
Das anschließende
Demultiplexen des Triggerpulses in der zweiten Pulsgenerierungseinheit
ist sehr einfach realisierbar; es werden weder ein Timer noch andere aufwändige Ressourcen
benötigt.
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Bei
der Anwendung dieses Verfahrens zur Ansteuerung der Steuerventile
MV1 und MV2 eines genannten EHVS-Stellers werden die beiden Ansteuerpulse
z.B. wie folgt generiert:
- – eine erste Flanke des Triggerpulses
erzeugt den Beginn eines Ansteuerpulses für ein zweites Steuerventil
MV2,
- – eine
zweite Flanke des Triggerpulses erzeugt den Beginn eines Ansteuerpulses
für ein
erstes Steuerventil MV1,
- – eine
dritte Flanke des Triggerpulses erzeugt das Ende eines Ansteuerpulses
für das
erste Steuerventil MV1,
- – eine
vierte Flanke des Triggerpulses erzeugt das Ende eines Ansteuerpulses
für das
zweite Steuerventil MV2.
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Mit
dieser Kodierung können
beide Steuerventile des EHVS-Stellers so angesteuert werden, dass
das zugeordnete Gaswechselventil auf die einfachste Weise geöffnet und
geschlossen werden kann, wobei Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
sowie der Ventilhub durch die Flanken des Triggerpulses definiert
werden und damit beliebig einstellbar sind.
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Allgemein
können
das erfindungsgemäße Verfahren
und eine geeignet gestaltete erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuersignalgenerierung auch
für ein
gestuftes Öffnen
bzw. Schließen
eines mittels EHVS betätigten
Gaswechselventils verwendet werden.
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Bei
Aktoren, die zur Steuerung des Luft-, Kraftstoff- oder Zündpfads
einer Brennkraftmaschine dienen, wird die Lage eines Ansteuerpulses
im typischen Falle relativ zur Drehung der Kurbelwelle bestimmt.
Beispielsweise wird ein Kurbelwellenwinkel bestimmt bzw. vorgegeben,
an dem eine Pulsflanke, z.B. der Beginn oder das Ende eines Ansteuerpulses, erzeugt
werden soll.
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Die
zeitliche Beziehung zwischen Ansteuerpulsen, die sich das erfindungsgemäße Verfahren der
Pulsgenerierung zunutze macht, kann in diesen Fällen – alternativ und gleichbedeutend
zu Zeitdifferenzen – auch
durch Winkeldifferenzen beispielsweise zwischen Pulsflanken definiert
sein, die sich auf den Drehwinkel der Kurbelwelle beziehen. Beispielsweise
kann der Beginn eines zweiten Pulses um eine bestimmte Zeitspanne
oder Winkeldifferenz gegenüber
dem Beginn eines ersten Pulses verschoben sein. Zeit- und Winkeldifferenz
sind dabei mittels der Motordrehzahl ineinander umrechenbar. Die
Zeitspanne oder Winkeldifferenz kann, ebenso wie die Lage oder Dauer
einzelner Ansteuerpulse, von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel neu bestimmt
bzw. verändert
werden, z.B. in Abhängigkeit
sich ändernder
Betriebsbedingungen des Motors.
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Bei
solchen Anwendungen wie z.B. einem EHVS-System liegt ein wesentlicher
Nutzen der Erfindung darin, dass die Anzahl der Pulsgenerierungskanäle verringert
bzw. minimiert wird, die zur Erzeugung winkelbezogener Pulsflanken
benötigt
werden. Solche Kanäle,
die beispielsweise mittels einer oben erwähnten TPU realisiert werden
können,
sind relativ aufwändig
und somit teuer bzw. nur in begrenzter Zahl verfügbar.
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So
ermöglicht
die Erfindung, die zeitlich parallelen Ansteuerpulse der beiden
Steuerventile MV1 und MV2 eines EHVS-Stellers auf der Basis eines einzigen
Ausgabekanals zur – in
Bezug auf den Pulsbeginn – winkelbezogenen
Pulsgenerierung zu erzeugen, wobei dieser Kanal, beispielsweise
ein TPU-Kanal, in einer der möglichen
Ausführungen
der Erfindung einen Ansteuerpuls für das Steuerventil MV2 direkt
ausgibt, der zugleich auch als Triggerpuls einer zweiten Pulsgenerierungseinheit
dient, welche die Ansteuerung des anderen Steuerventils MV1 erzeugt.
Die zweite Einheit kann sehr einfach mittels eines Timers realisiert
werden.
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In
einem weiteren Beispiel kann bei einem Motor mit direkter Einbringung
des Kraftstoffes in den Brennraum, der nach einem fremdgezündeten geschichteten
Brennverfahren betrieben wird, die Ansteuerung des Einspritzventils
und der Zündkerze
sowie ggf. eines Messkanals der Klopferkennung eines jeweiligen
Arbeitszylinders erfindungsgemäß auf der Basis
eines einzigen winkelbezogenen Ausgabekanals dargestellt werden.
In diesem Fall beruht die gute Anwendbarkeit der Erfindung auf der
Tatsache, dass der Kraftstoff im Kompressionstakt eines Arbeitszylinders
kurz vor der Zündung
zugemessen wird, von der Dauer her ggf. auch überlappend mit der Zündung, und
dass sich ein Messfenster der Klopferkennung in enger zeitlicher
Folge an den Zündimpuls
anschließt.
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Auch
bei Saugrohreinspritzung und/oder bei mehrfacher Kraftstoffeinspritzung
innerhalb eines Arbeitsspiels kann die Ansteuerung von Einspritz- und/oder
Zündorgan
und/oder eines Messkanals der Klopferkennung vorteilhaft mithilfe
der Erfindung realisiert werden.
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Weitere
Anwendungen sowie Kombinationen der genannten Beispiele sind möglich, bei
denen auch ein höherer
Grad des Ansteuermultiplex darstellbar ist, d.h. eine größere Zahl
von weiteren Ansteuerpulsen, die mittelbar auf Basis eines einzigen winkelbezogenen
Pulsausgabekanals resp. eines von ihm erzeugten ersten Ansteuerpulses
oder Triggerpulses erzeugt werden.
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So
ermöglicht
es die Erfindung, die komplexe Steuerelektronik eines mit elektronischen
Stellsystemen hoch ausgerüsteten
Verbrennungsmotors in besonders vorteilhafter Weise in eine Vor-Ort-Elektronik,
die am Motor und/oder an den Stellsystemen angebaut ist, und ein
Wegbau-Steuergerät
aufzuteilen. Die Vor-Ort-Elektronik enthält mindestens einen Teil der
Endstufen der Stellsysteme und die zweite Stufe einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Ansteuersignalgenerierung. Im Wegbau-Steuergerät sind Funktionen
zur Signalerfassung – beispiels weise
für Kurbelwellenwinkel
und Motortemperatur – und
zur Berechnung der Steuerbefehle sowie die Funktionen einer erfindungsgemäßen ersten
Pulsgenerierungseinheit realisiert, die für eine Mehrzahl oder die Gesamtheit
der elektronischen Stellsysteme des Verbrennungsmotors – beispielsweise
Zündung,
Einspritzung und Gaswechselventil-Steuerung – benötigt werden.
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Bei
dieser Lösung
sind Wegbau-Steuergerät und
Vor-Ort-Elektronik über
einen Kabelbaum verbunden, der insbesondere die Ausgabepulse der
ersten Pulsgenerierungseinheit überträgt. Erfindungsgemäß ist dabei
die Anzahl der Ausgabekanäle
für Triggerpulse
gegenüber
der Anzahl der Aktoren deutlich reduziert. Da zudem nur eine geringe
elektrische Leistung übertragen
werden muss, wird der Kabelbaum gegenüber bekannten Lösungen deutlich
kleiner, leichter und kostengünstiger.
Zusätzlich
ist beispielsweise eine serielle Busverbindung vorgesehen, die es
ermöglicht,
erfindungsgemäß benötigte Daten an
die Vor-Ort-Elektronik bzw. an eine darin enthaltene zweite Pulsgenerierungseinheit
zu übermitteln.
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Bei
einer sehr hohen Zahl von anzusteuernden Stellsystemen bzw. Aktoren
sind die Auslagerung der Endstufen und die insbesondere vermöge der vorliegenden
Erfindung deutlich reduzierte Zahl von Signalleitungen des Kabelbaums
der Schlüssel für eine erfolgreiche
und in punkto Kosten und Bauraum vorteilhafte Integration fast der
gesamten Steuerungsfunktionalität
in einem einzigen Steuergerät. Dieses
Steuergerät
kann als Wegbau-Steuergerät
an einer bzgl. Montage und Packaging günstigen und z.B. besonders
geschützten
Stelle angebracht werden.
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Die
Vor-Ort-Elektronik bietet neben kurzen Signalwegen zwischen Endstufen
und Aktoren bei der genannten erfindungsgemäßen Ausführung den Vorteil besonderer
Einfachheit. Beispielsweise wird keine Auswertung des Kurbelwellensignals
benötigt. Somit
sind sehr kostengünstige
Realisierungen dieser Elektronik beispielsweise als ASIC möglich.
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Bei
der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung
ist es insbesondere möglich,
die Vor-Ort-Elektronik
in Module aufzuteilen, die einzelnen Aktoren oder Stellsystemen
zugeordnet sind, beispielsweise auch mit letzteren in Form von mechatronischen
Einheiten zusammengebaut sind. Dies ist vorteilhaft für Fertigung,
Montage, Wartung und Reparatur der Systeme.
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Die
großen
Vorteile des Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik liegen auf der Hand: zum einen die erzielbare
erhebliche Kostenersparnis beim Elektroniksystem, die Vermeidung
von ggf. sonst hinzunehmenden Funktionseinschränkungen, sowie die ebenfalls
mit nennbaren Kos tenvorteilen verbundene Höherintegration des Elektroniksystems
sowohl im Hinblick auf die Zahl einzelner Steuergeräte – z.B. Zusammenfassung
mehrerer Steuergeräte – als auch
im Hinblick auf den Grad bzw. Umfang einer Zusammenfassung einzelner
Ausgabefunktionen in hoch integrierten Bausteinen einer dedizierten
digitalen Peripheriehardware.
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Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines elektrohydraulischen Stellers (EHVS-Steller),
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2 Ansteuerpulse
der Steuerventile MV und MV2 eines EHVS-Stellers einschließlich eines Differenzpulses
MV2-MV1 für
den Fall einer einmaligen Ansteuerung,
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3 Ansteuerpulse
der Steuerventile MV1 und MV2 für
den Fall eines einmaligen Öffnens
eines Gaswechselventils mit gestuftem Öffnungsverlauf (zwei Teilhübe),
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4 Ansteuerpulse
der Steuerventile MV1 und MV2 für
den Fall eines zweimaligen Öffnens
eines Gaswechselventils ohne Stufung der Öffnungsverläufe,
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5 ein
Blockschaltbild, das eine beispielhafte Realisierung der elektronischen
Steuerung eines EHVS-Ventilstellers beschreibt (Stand der Technik),
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6 ein
Blockschaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen
Pulsgenerierung für
die Ansteuerung der Steuerventile MV1 und MV2 eines EHVS-Ventilstellers
beschreibt,
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7 ein
Blockschaltbild, das ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen
Pulsgenerierung für
die Ansteuerung der Steuerventile MV1 und MV2 eines EHVS-Ventilstellers
beschreibt,
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8 ein
Blockschaltbild, das ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen zweistufigen
Pulsgenerierung für
die Ansteuerung der Steuerventile MV1 und MV2 eines EHVS-Ventilstellers
beschreibt,
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9 ein
Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführung eines Pulsausgabekanals
in der TU (Funktionsmodul 83) beschreibt,
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10 einen
Zustandsautomat, der eine beispielhafte Ausführung einer Ablaufsteuerung (Funktionsmodul 92)
eines Pulsausgabekanals in der TU beschreibt,
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11 ein
Blockschaltbild, das eine beispielhafte Ausführung eines Funktionsmoduls
zur Generierung eines IR_C-Interrupts beschreibt,
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12a ein Funktionsmodul zur Pulsflankenerkennung
und Eventgenerierung, das die Teilmodule 110 bzw. 150 für die ansteigende
bzw. abfallende Flanke eines MV2-Pulses zusammenfasst,
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12b einen Zustandsautomat, der eine beispielhafte
Ausführung
eines Funktionsmoduls nach 12a beschreibt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein bekanntes Ausführungsbeispiel
einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung (EHVS) schematisch dargestellt,
auf dessen Grundlage die erfindungsgemäße zweistufige Generierung von
Ansteuersignalen ausgeführt
werden soll. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beispielhafte
Anwendung beschränkt.
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Der
in 1 gezeigte Steller 30 dient beispielhaft
zur Betätigung
eines Gaswechselventils 1 einer Brennkraftmaschine. Dieses
kann sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil ausgeführt sein.
Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt es auf
einem Ventilsitz 2 auf.
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Betätigt wird
das Gaswechselventil 1 durch einen hydraulischen Arbeitszylinder 3,
der die zentrale mechanisch-hydraulische Komponente eines elektrohydraulischen
Stellers 30 darstellt. Im Weiteren umfasst der in 1 beispielhaft
gezeigte Steller 30 ein erstes Steuerventil MV1 und ein
zweites Steuerventil MV2, hydraulische Leitungen 11 sowie 19a und 19b,
eine Ventilbremse 29 und ein optionales Rückschlagventil
RV1. Die genannten Komponenten sind in typischen Ausführungen
eines Stellers 30 in einer baulichen Einheit integriert.
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Die
Steuerventile MV1 und MV2 werden elektrisch angesteuert, d.h. durch
Bestromung beispielsweise einer Spule – im Falle eines elektromagnetischen
Antriebs – geöffnet bzw.
ge schlossen. Die Steuerventile können
jeweils elektrische Endstufen aufweisen, so dass die elektrischen
Ansteuersignale eine geringe elektrische Leistung haben können.
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Der
Arbeitszylinder 3 ist als Differentialzylinder mit einem
Kolben 5 ausgebildet, der eine größere obere Wirkfläche Aob und eine kleinere untere Wirkfläche Aunt hat. Die obere Wirkfläche begrenzt einen ersten Arbeitsraum 7 und
die untere Wirkfläche
Aunt einen zweiten Arbeitsraum 9 des
Arbeitszylinders 3. Beide Arbeitsräume werden von einer Speiseleitung 11,
welche sich aus den Abschnitten 11a, 11b und 11c zusammensetzt,
mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid, wie zum Beispiel Hydrauliköl, versorgt. Zu
diesem Zweck ist der Arbeitszylinder 3 hochdruckseitig über die
Speiseleitung 11 und erstes Rückschlagventil RV1 mit einem
Hochdruckspeicher 13 hydraulisch verbunden, der von einer
Hochdruckpumpe 17 gespeist wird.
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In
dem Abschnitt 11b der Speiseleitung 11, welcher
den zweiten Arbeitsraum 9 und den ersten Arbeitsraum 7 verbindet,
ist das erste Steuerventil MV1 angeordnet. In dem in 1 dargestellten Schaltzustand
ist es geschlossen und stromlos.
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Das
Hydraulikfluid im ersten Arbeitsraum 7 kann über eine
im Abschnitt 19c drucklose oder mit niedrigem Standdruck
beaufschlagte Rücklaufleitung 19,
welche sich aus den Abschnitten 19a, 19b und 19c zusammensetzt,
abgeführt
werden. In der Rücklaufleitung 19 ist
das zweite Steuerventil MV2 angeordnet, welches in 1 geöffnet dargestellt
ist. Das zweite Steuerventil MV2 ist vorteilhafterweise stromlos
geöffnet.
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Im
zweiten Arbeitsraum 9 kann eine Schließfeder 27 vorgesehen
sein, die das Gaswechselventil 1 bei drucklosem Arbeitszylinder 3 in
die Schließstellung,
das heißt
in Anlage an den Ventilsitz 2 bringt beziehungsweise in
dieser Stellung hält.
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Weitere,
hier nicht im Einzelnen genannte Ausgestaltungen des Arbeitszylinders 3 beziehungsweise
Stellers 30 sind möglich
und gleichermaßen geeignet
für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Ansteuerung der Steuerventile MV1 und MV2.
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Zwischen
dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Steuerventil MV2
ist eine hydraulische Bremseinrichtung 29 vorgesehen. Diese
hydraulische Bremseinrichtung 29 arbeitet wie folgt:
Wenn
sich der Kolben 5 nach oben bewegt und infolgedessen das
Volumen des ersten Arbeits raums 7 verkleinert wird, strömt das Hydraulikfluid
aus dem ersten Arbeitsraum 7 durch den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 ab,
so lange bis die Oberkante des Kolbens 5 den Abschnitt 19a der
Rücklaufleitung 19 verschließt. Danach
kann das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 nur
noch über
die hydraulische Bremseinrichtung 29, welche im Wesentlichen aus
einer Drossel besteht, abfließen.
Durch deren im Vergleich zum Abschnitt 19a der Rücklaufleitung
erhöhten
Strömungswiderstand
wird der Kolben 5 abgebremst, bevor das Gaswechselventil 1 auf
dem Ventilsitz 2 auftrifft.
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Im
Hochdruckspeicher 13 sind ein Temperatursensor Trail und Drucksensor prail angeordnet,
die über
Signalleitungen mit einem Steuergerät 31 verbinden sind.
Die Hochdruckpumpe 17 sowie die Steuerventile MV1 und MV2
sind ebenfalls über
Signalleitungen mit dem Steuergerät 31 verbunden und werden
von diesem angesteuert. Die Signalleitungen sind in 1 als
gestrichelte Linien dargestellt.
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Das
Steuergerät 31 enthält einen
Datenspeicher 33, eine zentrale Recheneinheit (CPU) 34 und eine
Ein-/Ausgabeeinheit 35, z.B. eine weiter vorne genannte
TPU. Diese beispielhafte Gliederung des Steuergeräts 31 erhebt
keinen Anspruch auf Vollständigkeit;
sie dient vielmehr dazu, die in den weiteren Figuren referenzierten
Komponenten des Elektroniksystems einzuführen. In einer möglichen
Ausführung
kann das Steuergerät 31 aus
mehreren separaten Teilen bestehen (nicht dargestellt), die durch elektrische
Leitungen oder Kommunikationskanäle verbunden
sind und z.B. auch an einzelnen Stellern 30 angebaut sein
können.
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Zum Öffnen des
Gaswechselventils 1 wird zunächst das zweite Steuerventil
MV2 angesteuert und dadurch geschlossen. Anschließend wird
das erste Steuerventil MV1 angesteuert und somit geöffnet. Dadurch
findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und
dem zweiten Arbeitsraum 9 statt. Infolge dessen öffnet das
Gaswechselventil 1, weil die vom ersten Arbeitsraum 7 mit
Druck beaufschlagte Stirnfläche
Aob des Kolbens 5 größer ist
als die vom zweiten Arbeitsraum 9 mit Druck beaufschlagte
Ringfläche
Aunt des Kolbens 5.
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Für die Steuerung
des Öffnens
des Gaswechselventils 1 und speziell des resultierenden Ventilhubs
ist somit die Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1 in zweierlei
Hinsicht von großer
Bedeutung: Zum ersten bestimmt der Ansteuerbeginn des Steuerventils
MV1 den Beginn der Öffnungsbewegung
des Gaswechselventils 1. Zum zweiten wird durch die Ansteuerdauer
tm1 festgelegt, wie lange das erste Steuerventils
MV1 geöffnet
bleibt, woraus sich die Menge des vom Hochdruckspeicher 13 in
den ersten Arbeitsraum 7 zufließenden Öls ergibt, die unmittelbar
den Ventilhub bestimmt. Indem also das erste Steuerventil 1 zum
richtigen Zeitpunkt wieder geschlossen wird, stellt sich der gewünschte Ventilhub
des Gaswechselventils 1 ein.
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Wenn
das Gaswechselventil 1 wieder geschlossen werden soll,
wird die Ansteuerung des zweiten Steuerventil MV2 beendet und das
Ventil dadurch geöffnet,
so dass der Druck podr im ersten Arbeitsraum 7 zusammenbricht
und die vom zweiten Arbeitsraum 9 auf den Kolben 5 ausgeübte hydraulische
Kraft das Gaswechselventil 1 schließt. Indem die Ansteuerung des
Steuerventils MV2 zum richtigen Zeitpunkt beendet wird, stellt sich
der gewünschte
Schließzeitpunkt
des Gaswechselventils 1 ein.
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In 2 sind
Timing-Diagramme für
die Ansteuerpulse der Steuerventile MV und MV2 eines EHVS-Stellers
dargestellt, wobei der typische Fall einer Ansteuerung für ein einmaliges Öffnen des
Stellers bzw. Gaswechselventils mit nicht gestuften Öffnungs-
und Schließbewegungen
beschrieben wird. Zusätzlich
wird ein entsprechender "Differenzpuls" MV2-MV1 skizziert.
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Der
Ansteuerpuls 41 des Steuerventils MV2 beginnt beim Kurbelwinkel
wbm2 und endet beim Kurbelwinkel wem2. Um eine vorgegebene Zeitspanne
dtbm1, im typischen Fall ca. 1 bis 2 ms, nach dem Beginn der MV2-Ansteuerung
beginnt der Ansteuerpuls 42 des Magnetventils MV1. Die
Verzugszeit dtbm1 ist deshalb vorhanden, damit das angesteuert Steuerventil
MV2 sicher geschlossen ist, bevor das Steuerventil MV1 bei einem
Kurbelwinkel wbm1 zu öffnen
beginnt und damit den Zufluss von Hydraulikfluid zum Arbeitszylinder 3 (siehe 1)
und in der Folge den Öffnungsvorgang
des Stellers einleitet. Die Menge des zufließenden Öls und damit der Öffnungshub
des EHVS-Stellers wird durch die Dauer tm1 des Ansteuerpulses 42 bestimmt.
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Bei
der Steuerung des EHVS-Stellers wird der Öffnungsbeginn als Steuergröße vorgegeben. Daraus
berechnet eine dafür
zuständige
Steuerungsfunktion in der elektronischen Steuereinheit 31 (1)
zunächst
den Kurbelwellenwinkel wbm1, an dem die Ansteuerung des Steuerventils
MV1 beginnen muss, um den gewünschten Öffnungsbeginn
des Stellers zu erhalten. In einem zweiten Schritt berechnet die
Steuerungsfunktion aus der Zeitspanne dtbm1 die zugehörige Winkeldifferenz
dwbm1 = wbm1 – wbm2
durch Multiplikation mit der aktuellen Drehzahl nmot der Kurbelwelle.
In einem dritten Schritt bestimmt sie gemäß wbm2 = wbm1 – dwbm1 den
Beginn wbm2 des MV2-Pulses 41, mit dem die ganze Ansteuersequenz
beginnt.
-
Der
in 2 des Weiteren dargestellte Differenzpuls 43 ist
für den
typischen Fall definiert, dass der MV1-Puls 42 vor dem
MV2-Puls 41 endet. Somit zerfällt ein solcher Differenzpuls,
wie in 2 gezeigt, in einen ersten Teilpuls 43a und
einen zweiten Teilpuls 43b. Wesentlich für die weiter
unten betrachteten Zwecke ist die Beobachtung, dass beide Teilinformationen 41 und 42 aus
dem Differenzpuls 43 unmittelbar zurück gewonnen werden können, der MV2-Puls 41 als "Einhüllende" und der MV1-Puls 42 als "invertierte Lücke".
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3 zeigt
beispielhaft die Ansteuerpulse der Steuerventile MV1 und MV2 für den Fall
eines einmaligen Öffnens
eines Gaswechselventils bei einem mittels zweier abgesetzter Teilhübe gestuftem Öffnungsverlauf.
Die MV2-Ansteuerung 41 bleibt gegenüber 2 unverändert. Die
Ansteuerung des Magnetventils MV1 hingegen zeigt zwei einzelne Pulse 42a und 42b,
mit Pulsdauern tm1_1 resp. tm1_2, welche die Höhe des ersten bzw. zweiten
Teilhubs des Gaswechselventils bestimmen. Der erste Puls 42a weist
wieder die bereits beschriebene Zeitverzögerung dtbm1 gegenüber dem
Beginn des MV2-Pulses 41 auf. Zusätzlich tritt eine Zeitdifferenz
dtbm1_2 auf, die den zeitlichen Abstand der Pulse 42a und 42b definiert.
Alternativ kann der Beginn des zweiten Pulses 42b auch
durch eine Winkelmarke wbm1_2 festgelegt werden. Der Zusammenhang
von zeit- und winkelbasierter Beschreibung ist durch die Umrechnung
tm1_1 + dtbm1_2 = (wbm1_2 – wbm1)/nmot gegeben,
mit der Motordrehzahl nmot. Bei den später beschriebenen vorteilhaften
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung wird die zeitbasierte Betrachtungsweise,
d.h. die Verzugszeit dtbm1_2 verwendet.
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4 zeigt
das Timing der Ansteuerpulse der Steuerventile MV1 und MV2 für den Fall
eines zweimaligen Öffnens
eines GWV ohne Stufung der Öffnungsverläufe. Im
Wesentlichen ergibt sich dieser Fall durch Hintereinanderreihung
zweier Teilschemata gemäß 2:
Das MV2 wird zweimal hintereinander, mit den Einzelpulsen 41a und 41b,
angesteuer, wobei in jeder der beiden Phasen eine einmalige Ansteuerung
des MV1 erfolgt, wie mit den Kurven 42a und 42b in 4 angezeigt
wird. Die Bezeichnungen der Winkel wbm2, wem2 und wbm1 sowie der
Zeitspannen dtbm1 und tm1 werden für die Pulse 41a bzw. 42a,
die der Ansteuerung eines ersten Öffnens des EHVS-Stellers dienen,
in gleicher Weise verwendet wie für die Pulse 41 und 42 in 2. Ebenso
werden mit ' versehene
Bezeichner analog für
die Winkel und Zeitgrößen bei
den Pulsen 41b und 42b verwendet, mit denen ein
zweites Öffnen des
EHVS-Stellers angesteuert wird. Für die Zeitspanne zwischen dem
Ende der MV2-Ansteuerung des ersten und dem Beginn der MV2-Ansteuerung des
zweiten Öffnens
wird die Größe dtbm2
eingeführt.
-
In
direkter Verallgemeinerung der Timing-Diagramme aus 3 und 4 können weitere
Ansteuerschemata und deren entsprechende Steuergrößen abgeleitet
werden, beispielsweise für
einen mit mehr als 2 Teilhüben
gestuften bzw. mit mehr als zwei Öffnungsphasen des Steuerventils
MV1 gesteuerten Öffnungsverlauf
eines Gaswechselventils, für das
mehr als zweimalige Öffnen
eines Gaswechselventils im Arbeitsspiel oder für Kombinationen dieser Fälle.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte, nach dem Stand der
Technik bekannte Realisierung eines Steuergeräts einer elektrohydraulischen
Ventilsteuerung EHVS beschreibt, wie es in 1 mit Bezugsziffer 31 auftritt.
Darin sind Steuerungsfunktionen 50 für die Ventilparameter Öffnen, Hub
und Schließen
eines mittels EHVS betätigten Gaswechselventils
als Programme auf einer CPU 51 realisiert. Die Steuerungsfunktionen
verarbeiten die Signale eines Gebers 55 für die Öltemperatur
und eines Gebers 56 für
den Öldruck
in einem Hochdruckspeicher 13, 1. Darüber hinaus
verarbeiten die Steuerungsfunktionen 50 weitere Information,
z.B. die Kurbelwellendrehzahl nmot. Diese wird von einer Funktion 62 geliefert,
die auf einer Zeitverarbeitungseinheit (Time Processing Unit; abgekürzt TPU) 60 realisiert
ist.
-
Die
TPU 60 mit den darin implementierten Funktionen zur Geberradaufbereitung
und zur Pulsgenerierung kann als eine beispielhafte Realisierung einer
Ein-/Ausgabeeinheit 35 gemäß 1 betrachtet
werden. Die Funktionseinheit Geberradaufbereitung gliedert sich
in die eng gekoppelten Funktionsmodule 62 zur Drehzahlaufbereitung
und 61 zur Winkelaufbereitung. In beiden Funktionen wird
das Signal eines Gebers 63 für die Winkelstellung einer
Kurbelwelle verarbeitet. Der Geber kann beispielhaft als ein nach
dem Stand der Technik bekannter Induktivgeber ausgeführt sein,
der die Zähne
eines Inkrementgeberrades auf der Kurbelwelle detektiert. Funktion 62 berechnet
aus den zeitlichen Abständen der
Zahnflanken die Drehzahl nmot.
-
Funktion 61 bestimmt
den aktuellen Kurbelwellenwinkel φKW,
der beispielhaft auf den Zünd-OT eines Zylinders
mit 0° bezogen
und mit einer Periodizität
von 720° angegeben
werden soll. Diese Periode entspricht der Länge des Arbeitsspiels eines
nach dem 4-Takt-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotors.
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Die
Kenntnis des Kurbelwellenwinkels φKW dient
dazu, winkelbezogene Pulse, d.h. Pulse, die bei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln
beginnen und/oder enden, zu erzeugen. Dieses ist die Aufgabe der
Pulsgenerierungseinheit 67, die im betrachteten Beispielfall
die Ansteuerpulse für die
Steuerventile MV1 und MV2 als Aktoren eines EHVS-Stellers generiert
und dabei die Aufträge
der Steuerungsfunktionen 50 umsetzt. Die Aktoren umfassen
eine Endstufe (Treiber), die hier nicht separat dargestellt ist.
Die Aufträge
an die Pulsgenerierungseinheit 67 seien beispielhaft gemäß den Ansteuerschemata
aus 2 durch die Vorgabewerte wbm1 und tm1 für einen
MV1-Puls bzw. wbm2 und wem2 für
einen MV2-Puls charakterisiert. Ein entsprechender Pulsausgabekanal 71 zur
Ansteuerung eines Aktors MV2 erzeugt also einen Puls, der beim Winkel
wbm2 beginnt und beim Winkel wem2 endet. Der von einem Kanal 70 erzeugte
Ansteuerpuls eines zugehörigen Aktors
MV1 beginnt bei einem Winkel wbm1, wobei, wie oben ausgeführt, zwischen
wbm2 und wbm1 eine festgelegte Zeitspanne dtbm1 vergeht, und hat
die Zeitdauer tm1, die auf der Basis eines Timers (Zeitgeber) 64 abgemessen
wird.
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Mittels
der Ansteuerpulse der Kanäle 70 bzw. 71 werden
die Endstufen 74 bzw. 75 der entsprechenden Steuerventile
angesteuert.
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Ausgehend
von dem in 5 beispielhaft dargestellten
Stand der Technik werden in 6, 7 und 8 vorteilhafte
Realisierungen eines Steuergeräts
eines EHVS-Ventilstellers einschließlich erfindungsgemäßer Vorrichtungen
zur zweistufigen Generierung paralleler bzw. zeitversetzter Ansteuersignale
beschrieben, wobei diese Vorrichtungen dazu dienen, eine erfindungsgemäße Ansteuerpulsgenerierung
für die
Steuerventile MV1 und MV2 als Aktoren zu realisieren. Die aus dem
Blockschaltbild von 5 bekannten und bereits beschriebenen Elemente
werden in den analog gestalteten Blockschaltbildern der 6 bis 8,
soweit sie dort auftreten, mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In den nachfolgenden Beschreibungen werden nur die neu hinzukommenden
erfindungsgemäßen Erweiterungen
und deren Funktion erläutert.
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6 zeigt
ein Blockschaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel der elektronischen
Steuerung eines EHVS-Ventilstellers mit erfindungsgemäßer, zweistufig
generierter Ansteuerung der Aktoren MV1 und MV2 beschreibt. In dieser
Ausführung
beschränkt
sich die Funktion der Pulsgenerierungseinheit 67 auf der
TPU 60 auf die Generierung der Ausgabepulse zur MV2-Ansteuerung. Ein
von einem Pulsgenerierungskanal 71 erzeugter MV2-Puls,
der auf einer Signalleitung an die zugeordnete Endstufe 75 ausgegeben
wird, gelangt zusätzlich
als Triggerpuls zu einer zweiten Pulsgenerierungseinheit 81,
die als Teil einer Vorrichtung 80 dargestellt ist. Die
Vorrichtung 80 wird Timing Unit oder kurz TU genannt. Die
Pilsgenerierungseinheit 81 umfasst einen Datenspeicher,
der zeitliche Beziehungen zwischen den Pulsen für die Aktoren enthält, beispielsweise
in Form von Werten der in 2 bis 4 eingeführten Größen dtbm1, tm1_1,
dtbm1_2 und tm1_2. Diese Werte können
im speziellen Fall – beispielsweise dtbm1 – unveränderlich
z.B. in einem ASIC oder ROM kodiert sein. Allgemein können sie – wie in
der 6 angedeutet – von
den Steuerungsfunktionen 50 von Fall zu Fall neu bestimmt
und an die Pulsgenerierungseinheit 81 übermittelt werden. Dort werden die
Werte in Registern bzw. RAM-Zellen gespeichert.
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Ein
entsprechender Kanal 83 der Pulsgenerierungseinheit 81 wird
durch das Signal des TPU-Kanals 71 getriggert
und erzeugt unter Verwendung eines Timers 82 einen entsprechenden MV1-Puls,
der an die Endstufe 74 ausgegeben wird. Im gewählten Beispiel
besteht er aus zwei Teilpulsen entsprechend der 3,
dort 42a und 42b, und realisiert somit beispielsweise
einen gestuften Öffnungsverlauf
des GWV mit zwei Teilhüben.
Der MV1-Puls beginnt um eine Zeitspanne dtbm1 versetzt nach dem
MV2-Puls. Die Pulslängen
der Teilpulse werden durch die Werte tm1_1 bzw. tm1_2 spezifiziert,
das Intervall zwischen den Teilpulsen durch eine Zeitdauer dtbm1_2.
Die entsprechenden Daten werden von den Steuerungsfunktionen 50 an
die zweite Pulsgenerierungseinheit 81 übermittelt und in einen dem Pulsgenerierungskanal 83 zugeordneten
Speicherbereich oder Registersatz (in 7 nicht
gezeigt; siehe aber auch Bezugsziffern 94 bis 97 in 9)
abgelegt. Die Übertragung
der Daten erfolgt in zeitlichem Zusammenhang mit der Übertragung
der Daten wbm2 und wem2 an die erste Pulsgenerierungseinheit 67,
die den zugehörigen
MV2-Ansteuerpuls spezifizieren. Die Übertragung kann auch häufiger geschehen,
um aktualisierte Werte zu übermitteln, wenn
sich die Drehzahl nmot verändert
hat.
-
Mit
der beschriebenen Lösung
gelingt es, auf der Basis von nur einem "teuren" TPU-Kanal 71, der als winkelbezogener
Pulsgenerierungskanal zur MV2-Ansteuerung konfiguriert ist, zwei
Aktoren, nämlich
die Steuerventile MV1 und MV2 bzw. deren Endstufen 75 und 74,
anzusteuern. Zugleich wird mit dieser Lösung eine Möglichkeit aufgezeigt, beliebig geformte,
d.h. gestufte Öffnungsverläufe von
Gaswechselventilen auch dann darzustellen, wenn eine solche Funktion
mit der ersten Pulsgenerierungseinheit 67 nicht oder nur
mit höherem
bzw. nicht vertretbarem Aufwand realisierbar ist. In der zweiten
Pulsgenerierungseinheit 81 ist diese Funktionalität einfach
darstellbar, was weiter unten noch genauer erläutert wird.
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In 6 ist
des Weiteren zwischen der Pulsgenerierungseinheit 81 und
der CPU 51 eine Signalleitung zur Übermittlung eines Interrupts "IR_C" an die CPU dargestellt.
Damit kann beispielsweise von einem Pulsgenerierungskanal 83 das
Ende einer Auftragsbearbeitung, d.h. einer Pulsgenerierung, angezeigt
werden, um die Übermittlung
eines Folgeauftrags an den Kanal anzustoßen. Eine solche Lösung würde es ermöglichen,
den in der Pulsgenerierungseinheit 81 entstehenden Bedarf
an Registern zur Speicherung von Auftragsdaten zu verringern, indem z.B.
die Auftragsdaten für
Folgepulse, wie beispielsweise eine zweite Pulsdauer tm1_2, sukzessive nachgeladen
werden.
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Im
hier betrachteten Ausführungsbeispiel soll
der Interrupt IR_C stattdessen dazu verwendet werden, um beispielhaft
ein Verfahren zum mehrfachen Öffnen
eines Gaswechselventils im Arbeitsspiel gemäß 4 darzustellen,
und zwar wiederum ohne Erweiterung der beschriebenen Basisfunktionalität der ersten
Pulsgenerierungseinheit 67. Zu dem genannten Zweck zeigt
ein von der Einheit 81 generierter IR_C-Interrupt das Ende
eines MV2-Pulses, wie z.B. Puls 41a in 4,
an, der vom TPU-Kanal 71 ausgegeben und in die Einheit 81 eingespeist
wird.
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Der
IR_C-Interrupt soll in diesem Fall nur generiert werden, wenn tatsächlich ein
Folgeauftrag, im Beispiel von 4 also die
Generierung der Pulse 41b und 42b, ansteht. Zu
diesem Zweck enthält
ein Auftrag an die zweite Pulsgenerierungseinheit 81 neben
Angaben über
Beginn und Ende bzw. Dauer der zu erzeugenden MV1-Pulse noch eine
boolesche Information IR_C_REQ, die anzeigt, ob ein Folgeauftrag
ansteht resp. ob ein Interrupt generiert werden soll. Entsprechend
ist in der Einheit 81 ein Bit-Register zur Speicherung
der IR_C_REQ-Information enthalten, beispielsweise Register 142 in 11.
Wenn in der Pulsgeuerierungseinheit 81 das Ende eines MV2-Ansteuerpulses,
z.B. Puls 41a in 4, detektiert
wird und das IR_C_REQ-Bit
gesetzt ist, sendet die Einheit einen IR_C-Interrupt an die CPU 51,
was die Steuerungsprogramme 50 veranlasst, die Auftragsdaten
wbm2' und wem2' der zweiten MV2-Ansteuerung 41b,
siehe 4, an die Pulsgenerierungseinheit 67 sowie
die entsprechenden Auftragsdaten dtbm1' usw. der zweiten MV1-Ansteuerung an die
Pulsgenerierungseinheit 81 zu übermitteln.
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Ergänzend sei
angemerkt, dass die Pulsgenerierungs- bzw. Pulsausgabeeinheit 81 neben
den bereits genannten Funktionen auch weitere Aufgaben übernehmen
kann, beispielsweise eine Formung der Ausgabepulse, wenn Endstufen
ein entsprechend komplexeres Ansteuermuster verlangen, oder eine
Generierung separater Ansteuerpulse (Puls-Splitting) für high side – und low
side – Schalter von
boost – Endstufen.
Auch ein adressgesteuertes Umsetzen bzw. Demultiplexen der Ausgabesignale eines
Kanals, z.B. des Kanals 83, auf verschiedene Ausgänge zur
wahlweisen Ansteuerung mehrerer Aktoren kann dort realisiert werden,
siehe weiter unten.
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Noch
weitergehende Möglichkeiten
zur Darstellung zusätzlicher
Funktionalität
in der Pulsgenerierungs- bzw. Pulsausgabeeinheit 81 eröffnen sich
in einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das in 7 als Blockschaltbild dargestellt
ist. Dabei wird wieder der Anwendungsfall der elektronischen Steuerung
eines EHVS-Ventilstellers zugrunde gelegt.
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In 7 ist
die Pulsgenerierungseinheit 81 gegenüber dem bereits beschriebenen
Ausführungsbeispiel
dergestalt aufgerüstet,
dass darin auch Ansteuerpulse für
ein Magnetventil MV2 generiert werden. Analog zu 6 wird
dabei in einer ersten Stufe von einem winkelbezogenen Pulsgenerierungskanal 71 der
Einheit 67 auf der TPU 60 ein Triggerpuls erzeugt
und in die zweite Pulsgenerierungseinheit 81 hineingeführt, wobei
der Triggerpuls im speziellen Fall auch die Form einer MV2-Ansteuerpulses
haben kann. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel von 6 besitzt
die zweite Pulsgenerierungseinheit gemäß 7 nicht
nur einen Kanal 83 zur Generierung der MV1-Ansteuerung,
sondern auch einem Kanal 84 für die Ansteuerung eines betreffenden
Aktors MV2. Alle oben genannten Möglichkeiten wie die zeitgesteuerte
Generierung von Mehrfachpulsen, Puls-Formung, Puls-Splitting und
adressgesteuertes Demultiplexen können in dieser Variante auch für die MV2-Ansteuerung
vorgenommen werden, ohne dass die Funktionalität der TPU 60 dabei – in puncto
Ressourcen und/oder Kosten – Grenzen setzt.
Darüber
hinaus können
im zweiten Ausführungsbeispiel
die Ausgabepulse der TPU-Kanäle, wie
beispielsweise des Kanals 71, gemäß ihrer Funktion als reine
Trigger-Pulse einfacher gestaltet sein als die Pulse zur MV2-Ansteuerung.
Sie können
z.B. eine feste Pulsdauer haben. Dadurch werden weitere TPU-Ressourcen
eingespart.
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Beispielhaft
sei eine Generierung von Mehrfachansteuerungen genauer ausgeführt, die
eine der erweiterten Anwendungsmöglichkeiten
des zweiten Ausführungsbeispiels
nach 7 darstellt. Für
diesen Zweck werden die Folgepulse, z.B. 41a und 41b gemäß 4,
vollständig
im Zeitbereich beschrieben. Konkret bedeutet dies, dass der Beginn
des MV2-Folgepulses 41b durch eine Verzugszeit dtbm2 nach
dem Ende des ersten Pulses 41a festgelegt wird. Diese Zeitspanne
wird beispielsweise von den Steuerungsprogrammen 50 aus
dem Endewinkel wem2 des ersten und dem gewünschten Beginnwinkel wbm2' des zweiten MV2-Pulses
unter Verwendung der aktuellen Drehzahl nmot bestimmt und zusammen
mit den übrigen
Auftragsdaten an die Einheit 81 übermittelt (in 7 nicht
gezeigt).
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Zwecks
Generierung der Mehrfachansteuerung wird in diesem Beispiel am Ende
der Generierung eines ersten MV2-Ansteuerpulses durch den Kanal 84 ein
Intervall-Timer gesetzt, dessen Ablauf (timeout) nach einer Zeitspanne
dtbm2 den Beginn des MV2-Folgepulses markiert. Konkret löst dieser Timeout
die nachfolgende Generierung von Ausgabepulsen durch die Kanäle 83 und 84 zur
Ansteuerung sowohl der MV1- wie der MV2-Endstufen für ein nachfolgendes
zweites Öffnen
des Gaswechselventils aus. Der Timeout des Intervall-Timers wirkt
dabei als Trigger für
die Generierung der Ansteuerung des zweiten Öffnens des Gaswechselventils,
völlig
analog wie das Ereignis "Pulsbeginn" des in die Einheit 81 hinein
geführten
Triggerpulses, das die Generierung der Ansteuerung der Aktoren MV1,
MV2 für
das erste Öffnen
auslöst.
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Zeitgleich
mit dem Setzen des Intervall-Timers wird im betrachteten Beispiel
ein IR_C-Interrupt von
der TU 80 an die CPU 51 gesendet, der zum Nachladen
der entsprechenden Auftragsdaten für die Pulsgenerierungskanäle 83 und 84 für das zweite Öffnen des
Gaswechselventils führt.
Wie in 7 angedeutet, kann dabei jeweils auch eine Mehrfachansteuerung
des Aktors MV1 verwendet werden.
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Zusammenfassend
wird mit diesem Lösungsansatz
auf der Grundlage des Ausführungsbeispiels
gemäß 7 demonstriert,
wie die Folgepulse für
das mehrfache Öffnen
eines Gaswechselventile komplett – d.h. sowohl für MV1 wie
für MV2 – auf der TU 80 generiert
werden können.
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8 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Anordnung
zur zweistufigen Generierung paralleler bzw. zeitversetzter Ansteuerungen,
wobei wieder beispielhaft die Ansteuerung der Steuerventile MV1
und MV2 eines EHVS-Stellers betrachtet wird. Dabei wird auf den einfachsten
Fall einer Ansteuersequenz gemäß 2 Bezug
genommen. In 8 ist ein Pulsgenerierungskanal 72 der
Pulsgenerierungseinheit 67 derart ausgestaltet, dass er
den in 2 dargestellten "Differenzpuls" zusammengehöriger MV2- und MV1-Ansteuerungen
mit den Einzelpulsen 43a und 43b generiert und
ausgibt. Der nachgeschalteten Ausgabeeinheit 81 auf der
TU 80 verbleibt die sehr einfache Aufgabe, aus dem Differenzpuls
die Ansteuerpulse für
MV1 und MV2 zu dekodieren.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
hat den Vorteil, dass die Realisierung der Einheit 81 besonders
einfach und kostengünstig
ist. Für
den genannten Zweck benötigt
die Einheit 81 nicht einmal einen Timer. In 8 ist
angedeutet, dass die genannte sehr einfache Aufgabe der Ausgabeeinheit 81 sehr
gut um die Zusatzfunktion eines adressgesteuerten Demultiplexens
ergänzt
werden kann. Zu diesem Zweck wird beispielhaft eine Adressinformation
ADR_CHN vom Steuerpro gramm 50 an die Einheit 81 übergeben,
die festlegt, welche Endstufen jeweils mit den von den Kanälen 83 bzw. 84 ausgegebenen
Pulsen angesteuert werden sollen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird auf Seiten der TPU 60 ein sequentielles Multiplexen
des Pulsgenerierungskanals 72 zugrunde gelegt. Zusammen
mit dem nachgeschalteten adressgesteuerten Demultiplexen durch die
Einheit 81 ermöglicht
dieses Verfahren, die Zahl der benötigten "teuren" TPU-Kanäle zu reduzieren. Das Nachladen
des Kanals 72 zum Zwecke des sequentiellen Multiplex kann
wieder, wie schon beschrieben, mit dem Verfahren des IR_C-Interrupts und der
IR_C_REQ-Anforderung durchgeführt
werden, wobei das Verfahren in diesem Fall, siehe 8,
wieder beispielhaft auf der Einheit 81 implementiert ist.
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Mit
den weiteren 9 bis 12 wird
eine Implementierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 81 des
ersten Ausführungsbeispiels
nach 6 in größerem Detail
beschrieben, wobei deren Funktion bereits weiter oben erläutert worden
ist.
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9 zeigt
ein Blockschaltbild, das in einem ersten, größeren Teildiagramm 90 eine
beispielhafte Ausführung
eines Pulsgenerierungskanals in der TU, d.h. eines Funktionsmoduls 83,
beschreibt. In einem kleineren zweiten Teildiagramm 110 wird
eine Hilfsfunktion zur Detektion des Flankenereignisses "ansteigende Flanke" des in die Einheit 81 als
Triggerpuls hinein geführten
MV2-Ansteuersignals dargestellt. Diese Hilfsfunktion besteht im
Wesentlichen aus einem analogen Komparator 111, der das
Ansteigen der Spannung U_ansteu_MV2 des genannten MV2-Ansteuersignals über das
Niveau einer geeignet gewählten
Schwelle U schwelle detektiert. Dabei wird ein Ereignis E1 erzeugt
und ausgegeben, das eine zentrale Steuerlogik oder Ablaufsteuerung 92 des
entsprechenden Pulsgenerierungskanals 90 triggert.
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Aufgabe
der Ablaufsteuerung 92 ist es, die zeitgesteuerte Generierung
eines entsprechenden MV1-Ansteuerpulses zu koordinieren. Das Modul 92 arbeitet
zu diesem Zweck mit der Timer-Compare-Einheit 100 und
der Ausgabeeinheit für
die MV1-Ansteuerung 101 zusammen und greift des weiteren
auf die Auftragsdaten zu, die vom Steuerprogramm 120 übermittelt
und in einem als Array dt_array organisierten Registersatz 93 abgelegt
werden. Gemäß dem in 6 betrachteten
Beispiel des mit zwei Teilhüben
gestuften Öffnungsverlaufs
eines EHVS-Stellers resp. Gaswechselventils, siehe auch 3,
enthält
der Registerbereich 93 die Einzeldaten dtbm1 in Register 94,
tm1_1 in Register 95, dtbm1_2 in Register 96 und
tm1_2 in Register 96.
-
Die
einzelnen Schritte bei der Pulsgenerierung und das Zusammenspiel
der beteiligten Module werden nachfolgend unter Verweis auf 9 und 10 näher erläutert, wobei
in 10 eine beispielhafte Ausführung der Ablaufsteuerung 92 des Pulsausgabekanals
gemäß Diagramm 90 in
Form eines Zustandsautomaten 122 dargestellt ist.
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Gemäß 10 befindet
sich die Ablaufsteuerung initial in einem Zustand 123,
was durch einen frei von außen
einlaufenden Pfeil 128 angedeutet ist. Der Zustand 123 wird
durch den Wert Z = 0 eines Zustandszählers Z definiert. Daneben
gibt es einen weiteren Zustand 125, der durch den Wert
Z = 1 des Zustandszählers
Z gekennzeichnet ist. Der Wert des Zustandszählers wird zugleich als Ausgabewert
Y des Automaten bzw. des Funktionsmoduls 92 ausgegeben.
Wie in 9 zu sehen ist, steuert der Ausgabewert Y einen
Schalter 103 in der Ausgabeeinheit 101 in der
Weise, dass bei Y = 0 der Spannungswert U_ansteu_MV1 des ausgegebenen
MV1-Ansteuerpulses auf dem Basispegel U_low und bei Y = 1 auf U_high
liegt.
-
Mit
dem Eintreffen des Ereignisses E1, d.h. dem Beginn der MV2-Ansteuerung,
wird eine Aktion 133 des Automaten 122 ausgeführt, bei
der kein Zustandswechsel erfolgt. Gemäß der in Pseudocode beschriebenen
Aktion 133 liest die Ablaufsteuerung 92 den Inhalt
dtbm des Registers dt_array[0], 94, und prüft, ob dieser
einen gültigen
Wert, d.h. einen Wert ungleich "nil" hat, wobei "nil" hier und im folgenden
für einen
Wert steht, der anzeigt, dass kein Auftrag vorliegt resp. keine
Aktion erfolgen soll. Danach wird der "Timer" 100 mit dem Timout-Wert dtbm1
geladen, sofern dieser gültig
ist. Konkret liest dabei die Ablaufsteuerung 92 in dem
hier betrachteten Ausführungsbeispiel
den aktuellen Wert t Timer eines freilaufenden heraufzählenden
Timers, z.B. Timer 82 in 6, addiert
dtbm1 und schreibt die Summe als Wert value in das Compare-Register 98.
Des weiteren setzt die Ablaufsteuerung 92 gemäß Aktion 133 einen
internen Array-Zeiger pos auf den Wert 1. Er markiert damit das
folgende Register dt_array[1], 95, das die Dauer tm1_1
eines ersten MV1-Pulses enthält.
-
Mit
dem Laden des Registers 98 ist die Einheit 100 resp.
der darin enthaltene Vergleicher 99 aktiviert. Wenn der
Vergleicher 99 den Timeout-Fall detektiert, d.h. t Timer übersteigt
den Vergleichswert value, dann wird ein zweites Ereignis E2 generiert
und an die Ablaufsteuerung 92 gesendet. Gemäß 10 führt dies
zum Übergang 135 in
den Zustand Z = 1. Wie bereits beschrieben, bedeutet das zugleich
den Beginn eines MV1-Ansteuerpulses, den die Einheit 101 ausgibt.
Die Aktion beim Übergang 135 ist
klar: Laden des "Timers" 100 mit
dem neuen Timeout-Wert tm1_1 aus dem Register dt_array[1] und erneutes
Weiterzählen
des pos-Zeigers.
-
Mit
dem nachfolgenden Timeout nach einem Zeitintervall tm1_1, und dem
zugehörigen
weiteren Ereignis E2, wird der folgende Übergang 137 des Automaten 122 der
Ablaufsteuerung 92 getriggert, der in den Zustand Z = 0
zurückführt. Damit
ist zugleich auch der erste MV1-Puls nach der gewünschten Dauer
tm1_1 beendet. Die Aktion des Übergangs 137 beinhaltet
zunächst
die Prüfung,
ob der Inhalt des Registers dt_array[2], 96, einen gültigen Wert dtbm1_2
hat und folglich ein Folgepuls zu generieren ist. In diesem Fall
wird erneut die Timer-Compare-Einheit 100 geladen
und pos inkrementiert. Mit dem nächsten
Timeout-Ereignis E2 nach der gewünschten
Zeitspanne dtbm1_2 wird erneut der Übergang 135 der Automaten 122 durchlaufen,
dabei der Timer 100 mit dem Timeout-Wert tm1_2 aus Register 97 geladen
und zugleich der Ausgabewert Y auf 1 gesetzt, was zum Umschalten
des Schalters 103 führt
und die Ausgabe des Folgepulses durch die Einheit 101 bewirkt.
Nach einem weiteren Timeout, d.h. einem weiteren Ereignis E2, ist
in diesem Beispielfall die Generierung der MV1-Ansteuerung beendet. Dabei sei hilfsweise
angenommen, dass dt_array[4] = nil gilt und dies mit der Setzung "value = nil" dazu führt, dass
der Timer 100 nicht (gültig)
gesetzt bzw. gestoppt ist. Damit ist die beispielhafte Implementierung
eines Pulsgenerierungskanals 83 des ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 6 in
Form einer funktionalen Beschreibung anhand der 9 und 10 vollständig beschrieben.
-
Die
folgende 11 zeigt ein Blockschaltbild,
das eine beispielhafte Ausführung
eines Funktionsmoduls 140 zur Generierung eines IR_C-Interrupts
beschreibt. Zusätzlich
wird in einem zweiten Teildiagramm 150 eine Hilfsfunktion
zur Detektion des Flankenereignisses "abfallende Flanke" des MV2-Ansteuersignals dargestellt,
die einen analogen Komparator 152 verwendet. Das Unterschreiten
der Schwelle U_schwelle durch den Spannungspegel U_ansteu_MV2 des
MV2-Ansteuersignals löst
ein Ereignis E3 aus, das einen Ausgabekanal 145 zur Generierung
eines IR_C-Interrupts triggert. In 11 ist
angedeutet, dass das Ereignis E3 in einer UND-Logik mit dem Vorliegen der Anforderung
zur IR_C-Generierung verknüpft
wird, d.h. mit dem Wahrheitswert IR_C_REQ aus dem Bit-Register 142. Somit
wird, wie gewünscht,
nur im Fall "IR_C_REQ
= TRUE" der IR_C-Interrupt
erzeugt.
-
Die
beiden Funktionseinheiten 110 in 9 und 150 in 11,
die Pulsflanken detektieren, werden beispielhaft in einer Einheit 160 zusammengefasst,
die in 12a dargestellt ist. Sie gibt
die Ereignisse E1 bzw. E3, entsprechend dem Auftreten einer ansteigenden
bzw. abfallenden Flanke eines am Eingang eingespeisten MV2-Ansteuerpulses,
aus.
-
In 12b wird die zugehörige Logik des Moduls 160 beispielhaft
als Zustandsautomat beschrieben, der ausgehend von einem Initialzustand
Z = 0 nach Erkennung einer Anstiegsflanke im Spannungsverlauf U_ansteu_MV2
eines MV2-Ansteuersignals in den Zustand Z = 1 übergeht und dabei das Ereignis
E1 ausgibt. Die nachfolgende Pulsende-Erkennung führt zur
Rückkehr
in den Ausgangszustand Z = 0, wobei ein Ereignis E3 ausgegeben wird.
-
Im
vorliegenden Text sind damit erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren
zur zweistufigen Generierung und/oder zum Multiplex paralleler bzw.
zeitversetzter Ansteuersignale in beispielhaften Ausführungen
auf der Basis der 6 bis 12 vollständig und
so detailliert beschrieben, dass eine Umsetzung z.B. auf der Basis
eines Mikrocontrollers MPC55 von Motorola, dort mittels entsprechender Programmstücke für CPU 51 und
TPU 60, sowie beispielsweise eines Gate-Arrays oder DSP
zur Darstellung der Funktionalität
der TU 80 für
den Fachmann leicht durchführbar
ist. Eine vorhandene SPI-Schnittstelle des Motorola-Controllers
kann zur Realisierung der Datentransportschnittstelle zwischen CPU
und TU dienen.
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Für Serienanwendungen
können
die erfindungsgemäßen Funktionen
der TPU und TU auch kostengünstig
als anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) realisiert
werden.
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Auf
Basis der beschriebenen Ausführungsbeispiele
können
Erweiterungen oder Varianten abgeleitet werden, die ebenfalls erfindungsgemäße Anordnungen
und/oder Verfahren zur Generierung von Ansteuerpulsen mehrerer Aktoren
darstellen. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Ausgabekanälen 71 der
ersten Pulsgenerierungseinheit 67 mit einer Mehrzahl von
Eingängen
der zweiten Pulsgenerierungseinheit 81 verbunden sein,
wobei die Ausgabekanäle
der ersten Einheit 67 Triggerpulse erzeugen, die jeweils
zur Steuerung mindestens eines Ausgabekanals der zweiten Pulsgenerierungseinheit 81 resp.
der Generierung mindestens eines Ansteuersignals durch die zweite
Einheit 81 dienen.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass verschiedene Ausgabekanäle der ersten
Einheit 67 bzw. deren Triggerpulse verschiedene Ausgabekanäle bzw. verschiedene
Untermengen von Ausgabekanälen der
zweiten Einheit 81 steuern. Alternativ kann die Ansteuerpulsgenerierung
eines Ausgabekanals der zweiten Einheit 81 auch über mehr
als einen Ausgabekanal 71 der ersten Einheit 67 bzw. über mehr
als einen Triggerpuls gesteuert werden.