DE102007061252A1

DE102007061252A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Selbstkalibrierung der Stromrückkopplung

Info

Publication number: DE102007061252A1
Application number: DE102007061252A
Authority: DE
Inventors: Scott M. Tenton Costello; John A. Plymouth Janitz; Robert D. South Lyon Mills; Akio Ypsilanti Fujimaki; Cristian R. Westland Ludwig; Allen L. Canton Youngpeter
Original assignee: Kelsey Hayes Co
Current assignee: ZF Active Safety US Inc
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2008-11-13
Also published as: KR101422285B1; CN101236439B; KR20080059103A; CN101236439A; US7363186B1

Abstract

Der von einem selektiv über eine Last angeschlossene Widerstand gezogene Strom dient zur Kalibrierung eines von einer Stromabfrageeinrichtung abgefragten Stroms, die mit der Last in Reihe geschaltet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Steuersysteme und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Stromrückkopplungssignals und eines folgenden Befehlssignals in einem Steuersystem.
Kraftfahrzeuge werden zunehmend komplexer, besonders was die elektronischen Steuerungen für verschiedene Bordsysteme betrifft. Die Schnittstellen zwischen Elektrik und Mechanik für zahlreiche dieser Systeme enthalten eine Spule, die dazu dient, ein mechanisches Gerät wie einen Ventilanker zu verschieben, wobei die Verschiebung des Ankers von dem durch das Ventil fließenden Strom abhängt. Einige Beispiele enthalten Magnetventile, die die Fahrzeugbremsen in Antiblockier-, Antriebs-Schlupf-Regelungs- und Fahrzeugstabilitäts-Regelungssystemen steuern, Magnetventile, die die Torsionsstangen in aktiven Aufhängungssystemen steuern, und Spulen, die die Lenkhilfe in elektrohydraulischen Lenksystemen steuern. Außerdem dienen variable Ströme zum Antreiben von Magnetventilen, Gleichstrommotoren und anderen induktiven Verbrauchern in zahlreichen Kraftfahrzeug-Untersystemen. Ferner sind die Position der linearen Magnetventile und das Drehmoment in Gleichstrommotoren direkt mit dem Treiberstrom korreliert, was genaue Strommessungen zur präzisen Positionierung erforderlich macht.
1 zeigt ein typisches Fahrzeug-Steuersystem 10 im Stand der Technik, das einen Schalter 12 verwendet, um den Stromfluss durch eine Last (Verbraucher) 14 zu regeln. Wie aus 1 zu ersehen ist, ist die Last 14 zwischen einer ersten Seite des Schalters 12 und einer Spannungsversorgung V+ angeschlossen. Eine zweite Seite des Schalters 12 ist mit Masse verbunden, um einen Kurzschlussschutz für die Spannungsversorgung bereitzustellen, falls der Schalter ausfällt. Wie ebenfalls in 1 dargestellt ist, ist eine Steuerung 16 mit dem Schalter 12 verbunden, die das Öffnen und Schließen des Schalters bewirkt. Die Steuerung 16 enthält typischerweise einen Mikroprozessor mit einem Speicher, in dem ein Betätigungsalgorithmus gespeichert ist. Die Steuerung 16 ist außerdem normalerweise mit einem oder mehreren Sensoren verbunden, die Betriebsparameter des Fahrzeugs überwachen. Der Mikroprozessor spricht gemäß dem Betätigungsalgorithmus auf die Sensorsignale an, um den Schalter 12 selektiv zu öffnen und zu schließen, um die Last 14 zu aktivieren und zu deaktivieren.
Wie oben beschrieben ist die Last 14 oft eine Spule 20, wie in 2 dargestellt ist. Außerdem ist der Schalter 12 im Allgemeinen ein Halbleiterbauelement wie ein Feldeffekttransistor (FET) 22 mit einem Drain, der mit einem Ende der Spule 20 und einer Source, die mit Masse verbunden ist. Wie bereits gesagt, ist das andere Ende der Spule 20 mit der Spannungsversorgung V+ verbunden. Das Gate des FET 22 ist üblicherweise mit einem Steueranschluss einer elektronischen Steuereinheit (Electronic Control Unit) (ECU) 24 verbunden, die als die oben beschriebene Steuerung 16 fungiert. Typischerweise liegt der ECU-Steueranschluss entweder auf "low", d. h. auf dem Massepotential, oder auf "high", d. h. auf einer festen Spannung, z. B. 5 V. Wenn der Steueranschluss auf "low" liegt, befindet sich der FET 22 im nicht leitenden Zustand und sperrt den durch die Spule 20 fließenden Strom, während sich der FET im leitenden Zustand befindet, wenn der Steueranschluss auf "high" liegt, wodurch ein potentiell hoher Strom durch die Spule fließen kann.
Um eine Regelung im geschlossenen Kreis eines Systems bereitzustellen, ist eine Rückkopplung erforderlich. Für die in 2 dargestellte Last 20 ist eine Rückkopplung des tatsächlichen durch die Spule fließenden Stroms erforderlich, um zu bestätigen, dass die Steuerung den gewünschten Strom erzielt. Einrichtungen zur Bereitstellung der Stromrückkopplung in einem Hochstromkreis werden typischerweise als Strommesswiderstand (Shunt) bezeichnet und sind in zahlreichen Formen möglich, einschließlich Metallstäbe, Widerstände oder Halbleiterbauelemente. Ein Ohm'scher Nebenschlusswiderstand wäre zwischen der induktiven Last 20 und dem Schalter 22 angeschlossen (nicht dargestellt). Der Strom würde dann gemessen, indem die Differenzspannung über den Nebenschlusswiderstand gemessen und das Ohm'sche Gesetz zum Umrechnen der Spannung in einen Strom angewendet wird. Dies ist ein allgemein übliches Verfahren zum Messen des Stroms durch eine Magnetspule oder einen Gleichstrommotor. Der Nachteil bei der Anwendung solcher Einrichtungen besteht darin, dass sie teuer sein können, einen großen Raumbedarf haben und ein Mittel zum Abstrahlen der durch den Stromfluss erzeugten Wärme benötigen.
Kürzlich sind preisgünstige integrierte FET-Chips entwickelt worden, die eine interne Schaltung enthalten, mit der ein Strom rückkopplungssignal bereitgestellt wird. Dieses Merkmal wird typischerweise als "diagnostische Rückkopplung", "Stromabfrageausgabe" oder "Spiegel-FET" bezeichnet. Nachfolgend werden solche integrierten FETs als "Rückkopplungs-FETs" bezeichnet. Ein Rückkopplungs-FET 32 ist in 3 dargestellt, in der Komponenten, die denen von 2 ähnlich sind, mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Wenn nach 3 der Rückkopplungs-FET 32 in seinem leitfähigen Zustand ist, wird eine Spannung, die zu dem zwischen Drain und Source des FET 32 fließenden Strom proportional ist, an einem Stromrückkopplungsanschluss 34 des FET erzeugt. Der Stromrückkopplungs anschluss 34 ist durch eine Stromrückkopplungsleitung 36 mit einem entsprechenden Stromrückkopplungsanschluss 38 an der ECU 24 verbunden.
Wie oben beschrieben sind Rückkopplungs-FETs nicht das einzige Mittel, um eine Stromrückkopplung für eine Schaltung zu erzielen; ab hier wird jedoch in der Diskussion von einem Rückkopplungs-FET-Bauelement in den Beschreibungen und Ansprüchen die Rede sein.
Bei manchen Anwendungen werden mehrere Lasten bzw. Verbraucher mit Spannung von einem einzigen FET versorgt, jedoch durch individuelle Steuer-FETs geregelt, wobei jeder Last einer der Steuer-FETs zugeordnet ist. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn eine Mehrzahl Magnetspulen zur Regelung der Beaufschlagung mit Hydraulikdruck in einem elektronischen Fahrzeugbremssystem wie einem Antiblockier-, einem Antriebs-Schlupf-Regelungs- und/oder einem Fahrzeugstabilitäts-Regelungssystem verwendet wird. Andere Anwendungen können die Regelung mehrerer Kraftstoffeinspritzventile in einem Motorsteuersystem und die Regelung von Magnetventilen in aktiven Aufhängungssystemen und elektrisch unterstützten Servo-Lenksystemen enthalten.
Eine typische Anwendung zur Regelung mehrerer Lasten ist in 4 dargestellt, in der Komponenten, die denen der vorigen Figuren ähnlich sind, mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Wie in 4 dargestellt ist, ist ein auf "high" liegendes Ende jeder Last einer Mehrzahl Lasten, die als Spulen L₁ bis L_n dargestellt sind, jeweils mit dem Source-Anschluss eines Rückkopplungs-FET 32 verbunden. Der Drain-Anschluss des Rückkopplungs-FET ist mit einer Spannungsversorgung V+ verbunden, während das Gate des Rückkopplungs-FET mit der ECU 24 verbunden ist. Der Rückkopplungs-FET 32 hat auch einen Stromrückkopplungsanschluss 34, der durch eine Stromrückkopplungsleitung 36 mit einem entsprechenden Stromrückkopplungsanschluss 38 an der ECU 24 verbunden ist. Wie ebenfalls aus 4 ersichtlich ist, ist ein auf "low" liegendes Ende jeder der Lasten L₁ bis L_n mit einem Drain-Anschluss eines zugehörigen Steuer- oder Treiber-FET T₁ bis T_n verbunden. Der Source-Anschluss jedes der Steuer-FETs ist mit Masse verbunden, während das Gate jedes der Treiber-FETs mit der ECU 24 verbunden ist.
Während des Betriebs des in 4 dargestellten Steuerkreises befindet sich der Rückkopplungs-FET 32 in seinem leitenden Zustand, um Spannung für jede der Lasten L₁ bis L_n bereitzustellen. Jede Last wird dann individuell mit Spannung versorgt, indem der entsprechende Treiber-FET T₁ bis T_n in den leitenden Zustand gebracht wird. Oft ist zu einem Zeitpunkt nur eine Last aktiviert, wobei in diesem Fall der vom Rückkopplungs-FET 32 gemessene Strom gleich ist dem Laststrom. Die Verwendung eines einzigen Rückkopplungs-FET 32 erlaubt also die Überwachung einer Mehrzahl Lasten, wobei die Kosten für die Komponenten minimiert werden.
Obwohl durch die Verwendung eines Rückkopplungs-FET 32 nützliche Rückkopplungsinformationen für die ECU 24 bereitgestellt werden, kann die spezielle Anwendung ein hohes Maß an Genauigkeit der Informationen erforderlich machen. Leider kann der in diesen Einrichtungen eingebaute Verstärker den erforderlichen Genauigkeitsgrad für eine bestimmte Anwendung nicht erbringen. Es wäre deshalb sinnvoll, einen Rückkopplungs-FET mit einer Selbstkalibrierfähigkeit zu versehen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Stromrückkopplungssignals und die Verwendung der Rückkopplung, um die Regelung des Stroms zu verbessern. Dies gestattet letztendlich die Verwendung kostengünstigerer, aber auch weniger genauer Hochspannungsgeräte, wobei die Präzisionsrückkopplung über niederpreisige Tiefstromgeräte beibehalten wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstkalibrierende Steuerschaltung, die eine mit einer Stromabfrageeinrichtung in Reihe geschaltete Last enthält. Die Schaltung enthält außerdem eine hoch präzise Lasteinrichtung mit bekannten Kennwerten, wobei die Einrichtung selektiv über die Last angeschlossen wird. Ferner enthält die Schaltung eine Kalibriereinrichtung, die mit der Stromabfrageeinrichtung und der hoch präzisen Last verbunden ist. Die Kalibriereinrichtung kann die Ausgangsspannung einer Spannungsversorgung überwachen, die mit der Last verbunden ist, und einen durch die Last fließenden ersten Laststrom messen, ohne dass die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last angeschlossen ist. Die Kalibriereinrichtung ist weiter in der Lage, die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last anzuschließen und einen zweiten durch die Last fließenden Laststrom zu messen. Die Kalibriereinrichtung ist außerdem dazu ausgeführt, den tatsächlichen Laststrom in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Laststrom sowie von den bekannten Kennwerten der hoch präzisen Lasteinrichtung und der Versorgungsspannung zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Laststroms, das die Bereitstellung einer hoch präzisen Lasteinrichtung enthält, die selektiv über eine Last angeschlossen werden und einen ersten Laststrom messen kann, ohne dass die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last angeschlossen ist. Das Verfahren verbindet dann die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last und bestimmt den erwarteten Kalibrierstrom, der durch die hoch präzise Lasteinrichtung fließt, in Abhängigkeit von den bekannten Kennwerten der hoch präzisen Lasteinrichtung und der Spannung von der Spannungsversorgung, die mit der Last elektrisch verbunden ist. Das Verfahren misst außerdem einen zweiten Laststrom, wobei die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last angeschlossen ist. Das Verfahren wird abgeschlossen, indem der tatsächliche Laststrom in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Laststrom sowie vom erwarteten Kalibrierstrom bestimmt wird.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Bestimmung der wahren Lastimpedanz durch Skalieren einer angenommenen Lastimpedanz mit dem Verhältnis aus erstem Laststrom zu tatsächlichem Laststrom. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Bestimmung mindestens eines Steuerbefehls in einem Steuersystem als Funktion der wahren Lastimpedanz, die bei der im vorigen Satz beschriebenen Skalierung ermittelt worden ist.
Verschiedene Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung erschließen sich für den Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer typischen Steuerschaltung im Stand der Technik.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Steuerschaltung im Stand der Technik von 1, bei der ein Feldeffekttransistor als elektronischer Schalter verwendet wird.
3 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Steuerschaltung im Stand der Technik von 1, bei der ein verbesserter Feldeffekttransistor mit Stromrückkopplung als elektronischer Schalter verwendet wird.
4 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Steuerschaltung im Stand der Technik von 3.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Flussdiagramm der Funktionsweise der in 5 dargestellten Schaltung.
7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Laststrom und einem von einem Rückkopplungs-FET erzeugten Stromrückkopplungssignal darstellt.
8 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Schaltung von 5.
9 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren alternativen Ausführungsform der Schaltung von 5.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nunmehr sei auf die Zeichnungen verwiesen, von denen 5 ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Komponenten in 5, die ähnlich denen von 4 sind, sind mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine Mehrzahl Lasten, die als die Spulen L₁ bis L_n dargestellt sind, ist demnach mit dem Ausgangsanschluss einer Stromabfrageeinrichtung 32 verbunden, bei dem es sich in der bevorzugten Ausführungsform um einen Source-Anschluss eines Rückkopplungs-FET handelt, wie aus 5 ersichtlich ist. Es versteht sich, dass die Erfindung auch mit anderen Stromabfrageeinrichtungen als dem in den Figuren dargestellten Rückkopplungs-FET verwirklicht werden kann. Der Drain des Rückkopplungs-FET 32 oder der Eingangsanschluss der Stromabfrageeinrichtung ist mit einer Spannungsversorgung V+ verbunden, während das FET-Gate mit einer ECU 24 verbunden ist. Ein Stromrückkopplungsanschluss 34 des Rückkopplungs-FET ist über eine Leitung 36 mit einem Stromrückkopplungsanschluss 38 an der ECU 24 verbunden. Hinsichtlich der Stromabfrageeinrichtung wäre ein ähnlicher Ausgangsanschluss mit dem Stromrückkopplungsanschluss 38 der ECU verbunden (nicht dargestellt). Ein auf "low" liegendes Ende jeder der Lasten L₁ bis L_n ist mit einem Drain-Anschluss eines zugehörigen Treiber-FET T₁ bis T_n verbunden. Der Source-Anschluss jedes der Treiber-FETs ist mit Masse verbunden, während das Gate jedes der Treiber-FETs mit der ECU 24 verbunden ist. Damit ist die ECU in der Lage, die Lasten mit dem Rückkopplungs-FET 32 mit Spannung zu versorgen und eine oder mehrere Lasten selektiv zu aktivieren, indem der zur betreffenden Last gehörige Treiber-FET in seinen leitenden Zustand geschaltet wird. Es versteht sich, dass sich die vorliegende Beschreibung zwar auf Komponenten der mit einer ECU 24 verbundenen Schaltung bezieht, die Steuerung der Schaltung jedoch typischerweise von einem Mikroprozessor übernommen wird, der innerhalb der ECU angeordnet ist (nicht dargestellt). Die verschiedenen elektronischen Komponenten sind deshalb entweder direkt oder indirekt mit dem Mirkoprozessor verbunden und werden von diesem aktiviert. Der Mikroprozessor arbeitet gemäß einem gespeicherten Steueralgorithmus.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Hinzufügen eines Präzisions-Kalibrierwiderstandes 40 parallel zu den Lasten L₁ bis L_n. Wie in 5 dargestellt ist, ist das erste Ende des Kalibrierwiderstandes 40 mit der auf "high" liegenden Seite der Lasten L₁ bis L_n und das zweite Ende mit einem Schalter verbunden, der bei der bevorzugten Ausführungsform ein Kalibrier-FET 42 ist, wie aus 5 zu ersehen ist. Das zweite Ende des Kalibrierwiderstandes 40 ist also mit dem Drain des Kalibrier-FET 42 verbunden. Die Source des Kalibrier-FET 42 ist mit Masse verbunden, während das FET-Gate 44 über eine Leitung 46 mit einem Kalibriersteueranschluss 48 an der ECU 24 verbunden ist. Der Mikroprozessor in der ECU 24 kann den Kalibrierwiderstand 40 selektiv über die Lasten zuschalten und von diesen trennen, indem der Kalibrier-FET 42 zwischen dem leitenden bzw. nicht leitenden Zustand umgeschaltet wird. Außerdem ist die Spannungsversorgung V+ über eine Spannungsmessleitung 50 mit einem Spannungsmessanschluss 52 an der ECU 24 verbunden.
Nunmehr wird die Funktionsweise der in 5 dargestellten Schaltung beschrieben. Wenn der Kalibrier-FET 42 in seinen leitenden Modus geschaltet wird, nimmt der von den Lasten gezogene und von der Stromabfrageeinrichtung 32 gemessene Strom um einen messbaren Betrag zu, der einzig dem durch den Kalibrierwiderstand 40 fließenden Kalibrierstrom I_R zuzuschreiben ist. Da die Spannung über den Kalibrierwiderstand 40 etwa gleich ist der Spannung V der Spannungsversorgung V+, wie sie am Spannungsabfrageanschluss 52 gemessen wird, und der Ohm'sche Wert R des Präzisionswiderstands 40 bekannt ist, kann der vom Präzisionswiderstand 40 gezogene Kalibrierstrom I_R von der ECU bestimmt werden zu: IR = V/R. (1)
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass der Kalibrierstrom I_R zum Skalieren des von der Spannungsversorgung V+ gelieferten Source-Stroms I_S, wie er vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragt oder gemessen wird, verwendet wird, um den tatsächlichen Wert des Laststroms I_L zu bestimmen. Da die Last in Reihe mit der Spannungsversorgung geschaltet ist, folgt, dass der abgefragte Source-Strom auch ein abgefragter Laststrom ist, und dementsprechend kann der durch die Stromabfrageeinrichtung zur Last fließende Strom in der folgenden Beschreibung durch diese beiden Begriffe bezeichnet werden. In ähnlicher Weise kann der Strom je nach der spezifischen Stromabfrageeinrichtung entweder abgefragt oder gemessen werden, und der Prozess zur Bestimmung des zur Last fließenden Stroms wird in der folgenden Beschreibung mit den Begriffen abgefragt oder gemessen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass der Kalibrierstrom I_R mit der Differenz zwischen den vom Rückkopplungs-FET 32 mit dem oder ohne den Kalibrierwiderstand 40, der über die Lasten angeschlossen ist, abgefragten oder gemessenen Source-Strömen und einem Skalierungskalibrierkoeffizienten k in Beziehung steht. Der Skalierungskalibrierkoeffizient k hat zu den abgefragten Source-Strömen die folgende Beziehung: IR = k(ISON – ISOFF), wobei

I_SOFF: ein erster vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragter Strom ist, wenn der Kalibrier-FET 42 im nicht leitenden Zustand ist, und
I_SON: ein zweiter vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragter Strom ist, wenn der Kalibrier-FET 42 im leitenden Zustand ist.

Die obige Formel kann nach dem Skalierungskalibrierfaktor k wie folgt gelöst werden: k = IR/(ISON – ISOFF) (2)
Der tatsächliche Laststrom I_L steht auch mit demselben Skalierungskoeffizienten k in Beziehung zum Strom I_SOFF, der vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragt wird, wenn der FET 42 im nicht leitenden Zustand ist, wie die folgende Formel zeigt: IL = k·ISOFF; (3)
Die obige Formel kann unmittelbar zur Berechung des Wertes des tatsächlichen Laststroms I_L herangezogen werden. Durch Einsetzen des Skalierungsfaktors, der durch das Verhältnis von I_R zur Differenz aus dem ersten und zweiten abgefragten Strom (I_SON – I_SOFF) nach Formel (1) oben bestimmt worden ist, in die obige Formel (3) resultiert eine zweite alternative Formel zum Berechnen des tatsächlichen Laststroms I_L als Funktion der gemessenen Ströme: IL = [IR/(ISON – ISOFF)]·ISOFF; (4)
I_R wird bestimmt aus dem bekannten Ohm'schen Wert des Präzisionswiderstandes 40 und der gemessenen Versorgungsspannung V, wie durch die obige Formel (1) gezeigt, und I_SON und I_SOFF sind die vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragten Source-Ströme, wenn sich der Kalibrier-FET 42 im leitenden bzw. nicht leitenden Zustand befindet.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass entweder Formel (3) oder (4) zur Berechnung des Wertes des tatsächlichen Laststroms I_L verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht auch die Verwendung dieses genauen Laststroms vor, um die Kalibrierung des Ausgangssignals zur Stromregelung bereitzustellen. Die Stromregelung basiert auf der Kenntnis, dass der Widerstand einen genauen Wert für einen Teil des Stroms bereitstellt, der in der Steuerschaltung fließt, und dass der genaue Strom zur Einregelung bei Änderungen in der Lastschaltung aufgrund der Temperatur, Alterung, Austausch von Komponenten oder anderen Faktoren verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung geht also davon aus, dass die wahre Lastimpedanz Z_L, die zur Bestimmung des Steuerausgangssignals dient, mit einer zuvor angenommenen Lastimpedanz Z_Lprev durch die Skalierung des genauen kalibrierten tatsächlichen Laststroms I_L und den zuvor abgefragten Laststrom I_SOFF gemäß der folgenden Gleichung in Beziehung steht: ZLprev·ISOFF = ZL·IL; die umgeformt werden kann als: ZL = ZLprev(ISOFF/IL), wobei (5)

I_SOFF: der ursprüngliche vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragte Strom ist, wenn der Kalibrier-FET 42 im nicht leitenden Zustand ist; und
I_L: der tatsächliche Laststrom ist, der nach der Kalibrierung des Rückkopplungsstroms berechnet wird.

Die obige Formel (5) kann direkt verwendet werden, um den Wert der genauen Lastimpedanz Z_L zu berechnen. Der resultierende Wert der genauen Lastimpedanz kann dann zur Aktualisierung des Ausgangssignals zur Stromregelung des Steuersystems oder anderer Befehle und/oder Verstärkungsfaktoren des Steuerbefehls verwendet werden. Die Erfindung geht davon aus, dass die zuvor angenommene Lastimpedanz Z_Lprev entweder aus Komponentenwerten oder gemessenen Werten berechnet worden wäre.
Die Operation der in 5 dargestellten Schaltung wird durch das Flussdiagramm von 6 zusammengefasst. Der Start des Flussdiagramms erfolgt über Block 60, wo angenommen wird, dass der Kalibrier-FET 42 im nicht leitenden Zustand ist. Der Algorithmus geht dann zu Funktionsblock 61 weiter, wo ein erster Aktivierungswert für jede der Lastimpedanzen Z₁ bis Z_n angenommen wird. Der Algorithmus wird mit Funktionsblock 62 fortgesetzt, wo einer oder mehrere der Treiber-FETs T₁ bis T_n aktiviert werden, wobei die erstmalige Aktivierung auf der angenommenen Impedanz Z₁ bis Z_n aus dem Funktionsblock 61 für jede Last basiert. Der Algorithmus geht zu Funktionsblock 64 weiter, wo der erste Source-Strom I_SOFF vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragt und der Wert der ECU 24 bereitgestellt wird. Der Algorithmus wird mit Funktionsblock 66 fortgesetzt, wo der Kalibrierwiderstand 40 über die Lasten angeschlossen wird, indem der Kalibrier-FET 42 in seinen leitenden Zustand gebracht wird. Der Algorithmus geht dann zu Funktionsblock 68 weiter, wo die Source-Spannung V von der ECU 24 abgefragt und der zweite Source-Strom ISDN vom Rückkopplungs-FET 32 abgefragt und der Wert der ECU 24 bereitgestellt wird. Der Algorithmus wird mit Funktionsblock 70 fortgesetzt, wo der Kalibrierwiderstand 40 von den Lasten entfernt wird, indem der Kalibrier-FET 42 wieder in seinen nicht leitenden Zustand versetzt wird. In 6 ist ein optionaler Funktionsblock 71 dargestellt, in dem der Source-Strom nach der Entfernung des Kalibrierwiderstandes 40 erneut abgefragt oder gemessen und mit dem ersten Source-Strom I_SOFF verglichen wird, der im Funktionsblock 64 gemessen wurde. Wenn die Differenz zwischen den abgefragten Strömen einen Schwellenwert überschreitet, ist dies ein Hinweis darauf, dass eine Störung aufgetreten ist, wobei in diesem Fall der Algorithmus beendet und ein Fehler-Flag gesetzt wird. Der Algorithmus geht zu Funktionsblock 72 weiter, wo der Kalibrierstrom I_R von der ECU 24 aus der abgefragten Source-Spannung und dem bekannten Ohm'schen Wert des Kalibrierwiderstandes 40 berechnet wird. Der Algorithmus geht dann zum Funktionsblock 74 weiter, wo die ECU 24 den Kalibrierkoeffizienten k aus dem berechneten Kalibrierstrom sowie dem ersten und zweiten abgefragten Source-Strom berechnet, wie mit der obigen Formel beschrieben wird. Danach geht der Algorithmus zum Funktionsblock 76, wo der tatsächliche Laststrom I_L von der ECU 24 als das Produkt aus dem Kalibrierkoeffizienten und dem ersten abgefragten Source-Strom I_SOFF berechnet wird, wie mit der obigen Formel (1) gezeigt ist. Der Algorithmus geht dann zu Funktionsblock 78, wo die tatsächliche Lastimpedanz Z_L von der ECU 24 als das Produkt aus der zuvor angenommenen Lastimpedanz und dem Verhältnis des angenommenen Source-Stroms I_SOFF und dem tatsächlichen Laststrom I_L berechnet wird, wie mit der obigen Formel (3) gezeigt ist. Die ECU 24 verwendet dann diesen neuen Impedanzwert in Block 80, um die neuen Steuerausgaben an die Treiber-FETs T₁ bis T_n zu berechnen. Der Algorithmus endet schließlich über Block 82.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine alternative Ausführungsform des Algorithmus (nicht dargestellt), bei der die Funktionsblöcke 74 und 76 in 6 durch einen Block ersetzt sind, in dem der tatsächliche Laststrom I_L als Funktion des Kalibrierstroms I_R sowie des ersten und zweiten Source-Stroms I_SOFF und I_SON berechnet wird, wie die obige alternative Formel (2) zeigt.
Die Schaltung der vorliegenden Erfindung stellt also die Kalibrierung der von einem Rückkopplungs-FET abgefragten Stromwerte bereit, wenn ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich ist oder wenn der Rückkopplungs-FET in einer Zone arbeitet, in der die Rückkopplungsspannung bezüglich dem Source-Strom relativ flach verläuft, wie die in 7 dargestellte Ansprechkennlinie zeigt. In 7 ist die vom Rückkopplungs-FET 32 an den Stromrückkopplungsanschluss 38 der ECU gelieferte Spannung V_FI als Funktion des Source-Stroms I_S dargestellt. In 7 ist die Zone der mit Δ_IS gekennzeichneten Kurve relativ flach. Demzufolge verursacht eine große Änderung des Source-Stroms innerhalb der Zone Δ_IS eine kleine Änderung des Wertes von V_FI, was möglicherweise in ungenauen Strommesswerten resultiert. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung verbessert jedoch die Genauigkeit der Stromrückkopplungsmesswerte, wenn der Source-Strom innerhalb der Zone Δ_IS liegt. Dies erlaubt letztendlich die Verwendung einer weniger teueren, aber auch weniger genauen Einrichtung im Hochstromweg, während die Präzisionsrückkopplung über Niederstromeinrichtungen erhalten bleibt. Außerdem stellt die Schaltung der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben die Kalibrierung des (der) angenommenen Impedanzwerte(s) der Last(en) bereit, wenn ein externer Faktor (Temperatur, Alterung, Komponentenaustausch oder sonstige Faktoren) eine Änderung der Lastcharakteristik verursacht.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass die Kalibrierung des Source-Stroms durch die Berechnung der Skalierungskonstante k entweder ein Mal pro Operationszyklus oder periodisch während des Zyklus ausgeführt werden kann. Die zweitgenannte Operation der Selbstkalibrierungsschaltung wäre bei Anwendungen günstig, bei denen die Steuer-FETs T₁ bis T_n durch Anlegen einer impulsmodulierten Spannung an ihre Gates periodisch ein- und ausgeschaltet werden. Die Erfindung ermöglicht, dass durch das ordnungsgemäße Auslegen der Schaltgeschwindigkeit des Kalibrier-FET 42 der Wert von k optional jedes Mal bestimmt werden kann, wenn einer der Steuer-FETs in den leitenden Zustand gebracht wird. Alternativ kann der Wert von k weniger häufig bestimmt und zwischen den Aktualisierungen des Werts auf die abgefragten Ströme angewendet werden.
Wenn wie oben angegeben, in einem Zeitpunkt nur eine der Lasten L₁ bis L_n mit Spannung versorgt wird, ist der Laststrom I_L dem Spulenstrom äquivalent. Wenn in einem Zeitpunkt mehrere Lasten mit Spannung versorgt werden, sind analog der erste und zweite Source-Strom äquivalent der Summe der durch die aktivierten Lasten fließenden Ströme, und die oben beschriebenen Beziehungen bleiben gültig.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf eine Schaltung mit einer einzigen Last 20 angewendet werden, wie in 8 dargestellt ist, in der Komponenten, die den in den vorigen Figuren dargestellten ähnlich sind, mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist der Kalibrierwiderstand 40 über die Last 20 angeschlossen, die von einem einzigen Treiber-FET 60 geregelt wird. Auch für 8 gelten wieder die obigen Formeln, wobei der tatsächliche Laststrom I_L der durch die einzige Last 20 fließende Strom ist.
In 9 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei wieder Komponenten, die den in den vorigen Figuren dargestellten ähnlich sind, mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Wie in 9 dargestellt ist, ist der Rückkopplungs-FET 32 auch der Treiber-FET für die einzige Last 20, deren auf "low" liegende Seite nun direkt mit Masse verbunden ist. Der in 8 dargestellte Lasttreiber-FET 60 ist somit entfallen. Wenn eine mit Masse verbundene Lastschaltungskonfiguration wie die von 9 akzeptabel ist, können die Kosten der Schaltung durch Wegfall des Steuer-FET 60 gesenkt werden, wobei das Merkmal der Selbstkalibrierung erhalten bleibt.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen so dargestellt und beschrieben worden sind, dass ein durch eine Spule fließender gemessener Strom kalibriert wird, ist ersichtlich, dass die Erfindung auch verwirklicht werden kann, um Ströme zu kalibrieren, die durch andere Lasten fließen. Außerdem können auch andere Stromabfrageeinrichtungen wie Strommesswiderstände oder andere Halbleiterkomponenten als FETs eingesetzt werden, um die Lastströme I_SOFF und I_SON abzufragen. Außerdem kann die Erfindung für Schaltungen verwirklicht werden, die andere Schalteinrichtungen wie Transistoren, Halbleiterbauelemente und mechanische Schalter anstelle der Treiber-FETs T₁ bis T_n enthalten, die oben beschrieben und dargestellt worden sind.
Die Erfinder sind der Auffassung, dass die Erfindung für vielfältige Anwendungen wie z. B. für die Regelung des Hydraulikdrucks in einem Fahrzeugbremssystem, wie einem Antiblockier-, Antriebs-Schlupf-Regelungs- und/oder Fahrzeugstabilitäts-Regelungssystem genutzt werden kann. Andere Anwendungen können die Regelung mehrerer Kraftstoffeinspritzventile in einem Motorsteuersystem und die Regelung von Magnetventilen in aktiven Aufhängungssystemen und elektrisch unterstützten Servo-Lenksystemen enthalten. Die Erfindung kann auch bei anderen als fahrzeuggebundenen Anwendungen verwirklicht werden, z. B. zur Steuerung von Motoren, temperaturempfindlichen Lasten und jeden Lasttyp, bei dem die Leitfähigkeit bzw. Impedanz nicht genau vorhersagbar ist und der eine vordefinierte Stromstärke sowohl für feste als auch variable Operationen erfordert.
Gemäß den patentrechtlichen Bestimmungen sind die Grundlagen und die Funktionsweise dieser Erfindung mit ihrer bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass diese Erfindung anders als im spezifischen Fall erläutert und dargestellt verwirklicht werden kann, ohne vom Schutzbereich abzuweichen.

Claims

Selbstkalibrierende Steuerschaltung, aufweisend: eine Last; eine mit der Last in Reihe geschaltete Stromabfrageeinrichtung; eine Kalibriereinrichtung, die mit der Stromabfrageeinrichtung verbunden ist, wobei die Kalibriereinrichtung die Ausgangsspannung einer mit der Last verbundenen Spannungsversorgung überwachen und einen durch die Last fließenden ersten Laststrom messen kann; dadurch gekennzeichnet, dass eine hoch präzise Lasteinrichtung mit bekannten Kennwerten mit der Kalibriereinrichtung verbunden ist, wobei die Kalibriereinrichtung in der Lage ist, die hoch präzise Lasteinrichtung selektiv über die Last anzuschließen; die Kalibriereinrichtung ferner in der Lage ist, einen ersten Laststrom zu messen, wenn die hoch präzise Lasteinrichtung nicht über die Last angeschlossen ist, und dann die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last anzuschließen und einen zweiten durch die Last fließenden Laststrom zu messen, wobei die Kalibriereinrichtung außerdem dazu eingerichtet ist, den tatsächlichen Laststrom in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Lastrom sowie von den bekannten Kennwerten der hochpräzisen Lasteinrichtung und der Versorgungsspannung zu bestimmen.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die hoch präzise Lasteinrichtung einen Präzisionswiderstand enthält, und bei der ferner die Kalibriereinrichtung den Kalibrierstrom bestimmen kann, indem die Versorgungsspannung durch den Ohm'schen Wert des Präzisionswiderstandes dividiert wird, und die Kalibriereinrichtung ferner den tatsächlichen Laststrom mit der folgenden Formel bestimmen kann: IL = [IR/(ISON – ISOFF)]·ISOFF; wobeiI_R der Kalibrierstrom ist; und I_SON und I_SOFF der zweite bzw. erste Laststrom ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Kalibriereinrichtung außerdem die wahre Lastimpedanz durch Skalieren einer angenommenen Lastimpedanz mit dem Verhältnis aus erstem Laststrom zu tatsächlichem Laststrom bestimmen kann.
Schaltung nach Anspruch 3, bei der die Kalibriereinrichtung außerdem mindestens einen modifizierten Steuerbefehl in einem Steuersystem als Funktion der wahren Lastimpedanz bestimmen kann, und bei der ferner die Kalibriereinrichtung einen entsprechenden Steuerbefehl im Steuersystem durch den modifizierten Steuerbefehl ersetzen kann.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die hoch präzise Lasteinrichtung einen Präzisionswiderstand enthält, und bei der ferner die Kalibriereinrichtung die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Laststrom und dann einen Kalibrierkoeffizienten als Funktion der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Laststrom bestimmen kann, und bei der ferner die Kalibriereinrichtung den tatsächlichen Laststrom als das Produkt aus dem Kalibrierkoeffizienten und dem ersten Laststrom bestimmen kann.
Schaltung nach Anspruch 5, bei der der Kalibrierkoeffizient durch die folgende Formel bestimmt wird: k = IR/(ISON – ISOFF); wobeik der Kalibrierkoeffizient ist; I_R der Kalibrierstrom ist, der durch Dividieren der Versorgungsspannung durch den Ohm'schen Wert des Präzisionswiderstandes bestimmt wird; und I_SOFF der erste Laststrom; und I_SON der zweite Laststrom ist.
Schaltung nach Anspruch 6, bei der die erste Stromabfrageeinrichtung ein verbesserter Feldeffekttransistor ist, der eine Stromabfragefunktion enthält, wobei der verbesserte Feldeffekttransistor mit der Last verbunden wird, so dass die Stromabfragefunktion aktiviert ist, um den ersten und zweiten Laststrom zu messen.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der die hoch präzise Lasteinrichtung außerdem einen Feldeffekttransistor enthält, der mit dem Präzisionswiderstand verbunden ist, wobei der Feldeffekttransistor zwischen dem nicht leitenden und dem leitenden Zustand geschaltet wird, um den Präzisionswiderstand über die Last anzuschließen.
Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Kalibriereinrichtung einen Mikroprozessor mit einem Speicher enthält, und bei der ferner der Speicher einen Algorithmus zur Überwachung der gemessenen Ströme und zur Bestimmung des tatsächlichen Laststroms speichert.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der der Mikroprozessor in einem elektronischen Steuermodul für ein Fahrzeugsteuersystem enthalten ist.
Schaltung nach Anspruch 10, bei der das Fahrzeugsteuersystem ein elektronisches Bremssteuersystem ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines durch eine Last fließenden Stroms, das die Schritte aufweist: (a) Bereitstellen einer Last und einer Stromabfrageeinrichtung, die mit der Last in Reihe geschaltet ist; wobei das Verfahren durch die weiteren Schritte gekennzeichnet ist: (b) Bereitstellen einer hoch präzisen Lasteinrichtung, die selektiv über die Last angeschlossen werden kann; (c) Messen eines ersten Stroms durch die Last, ohne dass die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last angeschlossen ist; (d) Anschließen der hoch präzisen Lasteinrichtung über die Last; (e) Bestimmen eines durch die hoch präzise Lasteinrichtung fließenden erwarteten Kalibrierstroms; (f) Messen eines zweiten Stroms durch die Last, wobei die hoch präzise Lasteinrichtung über die Last angeschlossen ist; (g) Bestimmen des tatsächlichen Laststroms als Funktion des ersten und zweiten Laststroms sowie des erwarteten Kalibrierstroms.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die in Schritt (b) bereitgestellte hoch präzise Lasteinrichtung einen hoch präzisen Widerstand mit einem bekannten Widerstandswert enthält, und bei dem ferner die Bestimmung des erwarteten Kalibrierstroms in Schritt (e) die folgenden Unterschritte enthält: (e1) Messen einer Versorgungsspannung; und (e2) Dividieren der gemessenen Versorgungsspannung durch den bekannten Widerstandswert, um den erwarteten Kalibrierstrom zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem Schritt (g) die Unterschritte enthält: (g1) Bestimmen eines Kalibrierkoeffizienten als Funktion des erwarteten Kalibrierstroms sowie der Messungen des ersten und zweiten Laststroms; und (g2) Bestimmen des tatsächlichen Laststroms als das Produkt aus dem Kalibrierkoeffizienten und der Messung des ersten Laststroms.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Kalibrierkoeffizient in Schritt (g1) durch die folgende Formel bestimmt wird: k = IR/(ISON – ISOFF); wobeik der Kalibrierkoeffizient ist; I_R der erwartete Kalibrierstrom ist; I_SOFF der erste Laststrom; und I_SON der zweite Laststrom ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der tatsächliche Laststrom in Schritt (g) durch die folgende Formel bestimmt wird: IL = [IR/(ISON – ISOFF)]·ISOFF; wobeiI_R der erwartete Kalibrierstrom ist; und I_SON und I_SOFF der zweite bzw. erste Laststrom ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die in Schritt (b) bereitgestellte hoch präzise Lasteinrichtung außerdem einen elektronischen Schalter enthält, der mit dem Präzisionswiderstand verbunden ist, und bei dem ferner während des Schrittes (d) der elektronische Schalter in seinen leitenden Zustand versetzt wird, um den Präzisionswiderstand über die Last anzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die in Schritt (a) bereitgestellte Stromabfrageeinrichtung einen verbesserten Feldeffekttransistor mit einer Stromabfragefunktion enthält, und bei dem ferner der verbesserte Feldeffekttransistor mit der Last verbunden wird, und bei dem während der Schritte (c) und (f) der verbesserte Feldeffekttransistor den ersten bzw. zweiten Laststrom misst.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner den Schritt enthaltend: (h) Bestimmen der wahren Lastimpedanz durch Skalieren einer angenommenen Lastimpedanz mit dem Verhältnis aus erstem Laststrom zu tatsächlichem Laststrom.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner die Schritte enthält: (i) Bestimmen mindestens eines modifizierten Steuerbefehls in einem Steuersystem als Funktion der in Schritt (g) bestimmten wahren Lastimpedanz; und (j) Ersetzen eines entsprechenden Steuerbefehls im Steuersystem durch den in Schritt (h) bestimmten modifizierten Steuerbefehl.