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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Betreiben
eines Steuergeräts sowie ein Steuergerät nach
der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Die Erfindung
kann insbesondere für die Ansteuerung von Aktoren und Hydraulikventilen
verwendet werden.
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An
Ventilen sind typischerweise Magnet- und/oder Piezoventile bekannt,
deren Ventilpositionen sich in einfacher Art und Weise durch Vorgabe
eines bestimmten Stroms verändern lassen. Zur Einstellung
des Stroms hat sich insbesondere im Kraftfahrtzeugbereich die so
genannte Pulsweitenmodulation durchgesetzt, bei der die Last mit
Strompulsen beaufschlagt wird. Abhängig von der Länge
der Pulse und Pausen bzw. dem Taktverhältnis lässt
sich an der Last ein variabler Strom und somit eine definierte Ventilposition
einstellen.
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Prinzipiell
lässt sich eine Ventilposition bereits durch Vorgeben des
Taktverhältnisses einstellen. Um jedoch die Genauigkeit
der Ventilsteuerung zu erhöhen, ist es üblicherweise
vorgesehen, den Strom zusätzlich auch zu messen. In der
Regel wird zur Messung des Stroms ein Messwiderstand in Reihe zur
Last geschaltet und abhängig von einer über dem
Messwiderstand abfallenden Spannung ein Strom bestimmt. Zusätzlich
ist noch die Stromtaktung zu berücksichtigen. Bei einfachen
Anwendungen reicht es häufig aus, ausgehend von den Puls-Pausen-Verhältnissen
den Strom arithmetisch zu mitteln.
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Zur
Verbesserung der Genauigkeit der Strommessung ist es beispielsweise
aus der
DE 199 15
593 A1 bekannt, parallel zum Messwiderstand einen Tiefpass
vorzusehen, wobei zur Strommessung im Wesentlichen die am Kondensator
des Tiefpasses anliegenden Spannung synchron im Takt der Pulsweitenmodulation
ausgelesen wird. Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass eine
sinnvolle Strommessung nur für Taktfrequenzen möglich
ist, für die der Tiefpass im Vorfeld ausgelegt wurde. Größere Änderungen
der Taktfrequenzen können durch diese Art der Schaltung
nicht aufgefangen werden.
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Ferner
ist aus der
DE 102
42 791 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem der Strom nur
während der Einschaltdauer gemessen und der mittlere Strom
mit Hilfe eines Korrekturfaktors in Abhängigkeit der Ein- und
Ausschaltdauer sowie der Induktivität des Stellglieds bestimmt
wird. Die Strommessung erfolgt über einen Messwiderstand
der zwischen Masse und einen Low-Side-Schalter angeordnet ist. Nachteilig
ist hierbei, dass zur Korrektur des Stroms die Art der anliegenden
Last (induktiv, kapazitiv, ohmsch) bekannt sein muss, was insbesondere
bei induktiven Lasten sehr rechenintensiv ist. Ferner ist für
diese Art der Messung notwendig, sowohl einen Schalter im Low-Side-Pfad
als auch im High-Side-Pfad vorzusehen, wodurch eine aufwändige
Versorgung der Last von außen notwendig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu
vermeiden und insbesondere bei einer getakteten Stromversorgung
unabhängig von der Art der Last einen durch die Last fließenden
Strom zu ermitteln.
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Die
Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das Verfahren und dem
Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines
Steuergeräts, bei dem das Steuergerät mindestens
einen stromgeregelten Ausgang aufweist, und wobei die Stromregelung
durch eine Pulsweitenmodulation erfolgt, und ein Strom mit Hilfe
eines Messwiderstands gemessen wird, sieht in vorteilhafter Weise
vor, dass ausgehend vom gemessenen Strom und von einer erfassten
Versorgungsspannung und einem Puls-/Pausenverhältnis der
Pulsweitenmodulation ein tatsächlicher Strom bestimmt wird. Ein
solches Vorgehen hat den Vorteil, dass bereits mit geringem Messaufwand
ein tatsächlich an einer Last anliegender Strom bestimmt
werden kann.
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Gleichermaßen
vorteilhaft ist auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet
ist.
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Insbesondere
ein Steuergerät mit einer Kontrolleinheit mit mindestens
einem stromgeregelten Ausgang, wobei die Kontrolleinheit derart
ausgestaltet ist, dass der Strom basierend auf einer Pulsweitenmodulation
geregelt wird, mit einem Schalter im Highside-Pfad und mit einem
Strommesswiderstand im Strompfad zwischen dem Schalter und dem Ausgang,
wobei eine Spannungsmessvorrichtung zur Erfassung einer Versorgungsspannung
ausgebildet ist, und ferner die Kontrolleinheit derart ausgebildet
ist, dass die Kontrolleinheit ausgehend von einem über den
Strommesswiderstand gemessenen Strom, von der erfassten Versorgungsspannung
und einem Puls-/Pausenverhältnis der Pulsweitenmodulation ein
tatsächlicher Strom bestimmt.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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In
vorteilhafter Weise wird ausgehend von dem gemessenen Strom über
eine erste Korrekturfunktion ein erster Strom ermittelt.
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In
zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung wird ausgehend
von der ermittelten Versorgungsspannung ein Stromkorrekturwert ermittelt.
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Dies
ermöglicht es in einer weiteren Ausgestaltung, den tatsächliche
Strom durch Addition des ersten Stroms und des Stromkorrekturwerts
zu ermittelt. Dies erlaubt es, ohne aufwändige Rechenoperationen
schnell und zuverlässig den tatsächlichen Strom
an der ausgangsseitigen Last zu bestimmen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, die Parameter der ersten Korrekturfunktion ein
einem Kennfeld abzulegen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist es von Vorteil, den Stromkorrekturwert
anhand einer zweiten Korrekturfunktion zu ermitteln sowie auch die
Parameter der zweiten Korrekturfunktion in einem Kennfeld abzulegen.
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Das
Ablegen von Parameter der Korrekturfunktionen hat den Vorteil, dass
nur wenige Daten im Kennfeld abgelesen werden müssen, aber
dennoch über die Anwendung der Korrekturfunktionen ein
großes Kennfeld abgedeckt werden kann.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass der gemessene Strom durch mehrfache Messung
innerhalb einer Periode der Pulsweitenmodulation und anschließender Mittelung
bestimmt wird. Durch dieses Vorgehen kann in vorteilhafter Weise
die Menge der zu bearbeitenden Daten reduziert werden und spart
somit Rechenkapazität.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, den PWM-Stromkorrekturwert
in Abhängigkeit des Puls/Pausenverhältnisses gebildet
wird. Durch dieses Vorgehen wird die Stromkorrektur in vorteilhafter
Weise weiter verbessert.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Steuergeräts,
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2 eine
erste Stromkorrektur,
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3 eine
zweite Stromkorrektur,
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4 ein
Kennfeld der Stromkorrektur,
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5 einen
pulsweitenmodulierten Stromverlauf.
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1 zeigt
eine Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Strommessung.
Wesentliches Element der Schaltung stellt der Schalter 1 dar,
der im vorliegenden Beispiel als MOSFET ausgeführt ist. Der
Eingang D – Drain – ist mit dem Versorgungspotential
VBBx und der Ausgang S – Source – ist mit über
einen Messwiderstand 2 und einen Ausgang 10 mit
einer Last 8 verbunden. Im geschlossenen Zustand des Schalters 1 liegt
am Ausgang S die Versorgungsspannung VBBx an.
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Der
Schalteingang G – Gate – des Schalters 1 ist
mit einer PWM-Einheit verbunden, die wiederum von einer Kontrolleinheit 5 angesteuert
wird. Die Kontrolleinheit 5 kann beispielsweise als Mikrokontroller und
auch zur Auswertung von Signalen ausgebildet sein. Insbesondere
kann die PWM-Einheit 6 auch Teil der Kontrolleinheit 5 sein.
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Im
Strompfad – Highside-Pfad – zwischen Schalter 1 und
Last 8 befindet sich der Messwiderstand 2, ein
so genannter Shunt 2, an dem proportional zum fließenden
Strom eine Spannung abfällt.
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Der
Ausgang S des Schalters 1 ist ferner mit einer Kathode
einer auf einem Bezugspotential liegenden Diode 7 verbunden.
Die Diode 7 ermöglicht es, dass bei einem Schalten
einer induktiven Last, der beim Öffnen des Schalters induzierte
Freilaufstrom über den Messwiderstand 2 abfließen
kann.
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Die
Spannung am Messwiderstand 2 wird durch einen Differenzverstärker 3 erfasst
und verstärkt an einen Analog-Digital-Wandler der Kontrolleinheit 5 ausgegeben.
Der A/D-Wandler kann selbstverständlich auch als separates
Bauelement ausgebildet sein oder sogar als externes Interface an
die Kontrolleinheit angebunden sein.
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Für
eine Strommessung ist es vorgesehen, dass innerhalb einer Periode
der Puls-Weiten-Modulation mehrfach die am Messwiderstand 2 abfallenden
Spannungen U_I gemessen und ein gemittelter Strom, vorzugsweise
für jeweils eine Periode, bestimmt wird.
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Weiterhin
ist eine Messschaltung 4 vorgesehen, die auf der Eingangsseite
D des Schalters 1 die Versorgungsspannung VBBx erfasst
und der Kontrolleinheit 5 über einen A/D-Wandler
zur Verfügung stellt.
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Zur
Datensicherung ist ein vorzugsweise nichtflüchtiger Speicher 9 der
Kontrolleinheit 5 zugeordnet. Selbstverständlich
kann der Speicher 9 auch Bestandteil der Kontrolleinheit 5 sein.
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Der
Kern der Erfindung ist im Wesentlichen, einen Gleichtakt-Fehler
beispielsweise eines Differenzverstärkers in einem getakteten
Highside-Pfad einer Treiberschaltung zu eliminieren.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Messabweichungen
der Strommessung im Highside-Pfad dem Takt der Puls-Weiten-Modulation folgen.
Die Gleichtaktspannung bewegt sich im Wesentlichen zwischen Versorgungsspannung
VBBx und 0 V bzw. ca. – 0,7 V bei induktiven Lasten (entsprechend
der Flussspannung der Löschdiode).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren teilt sich im Wesentlich
in zwei Korrekturschritten auf. Der erste Korrekturschritt beinhaltet
die Ermittlung eines Gleichtaktfehlers über den Spannungsbereich
der Messung, wobei in Abhängigkeit des ermittelten Gleichtaktfehlers
Parameter einer Korrekturfunktion ermittelt und abgespeichert werden.
Der zweite Korrekturschritt beinhaltet die Ermittlung eines Korrekturwerts
in Abhängigkeit der Versorgungsspannung und des Puls-Pausen-Verhältnisses
des PWM-Signals.
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Die
Parameter für die Kalibrierung der Strommessung werden
vorzugsweise bereits während der Fertigung ermittelt und
im Speicher des Steuergeräts abgelegt. Beispielsweise kann
es bei einem Endtest vorgesehen sein, bei konstanter Versorgungsspannung
VBBx über eine veränderbare Last 8 unterschiedliche
Ströme einzustellen und den tatsächlichen und
den gemessenen Strom zu vergleichen.
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In 2 ist
beispielhaft ein möglicher Zusammenhang zwischen einem
gemessenen Strom I_m und einem tatsächlich fließenden
Strom I_t gezeigt. Der gemessene Strom I_m wird vorzugsweise über
die am Messwiderstand 2 abfallende Spannung in bekannter
Art und Weise ermittelt. Zur Bestimmung einer Korrekturfunktion
ist es vorgesehen, einen gemessenen und einen tatsächlichen
Strom an wenigstens zwei Stützstellen aufzunehmen. Hierzu wird
eine im Widerstand variable Last an den Ausgang gelegt und bei unterschiedlichen
Widerstandswerten der tatsächliche Strom I_t – beispielsweise über
ein externes Strommessgerät – und der dazugehörige
gemessene Strom I_m erfasst, wobei die Versorgungsspannung VBBx
beispielsweise auf 24 Volt als Referenzspannung konstant gehalten
wird.
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Die
Abweichungen zwischen tatsächlichen und gemessenen Strom
lassen sich beispielsweise wie in 2 gezeigt über
eine lineare Funktion k1(I_m, U_VBBx = const)
= I'_t = a·I_m + bdarstellen.
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Die
ermittelten Parameter a und b werden vorzugsweise in dem nichtflüchtigen
Speicher 9 abgelegt.
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Selbstverständlich
können zur Ermittlung der Funktionsparameter auch weitere
Stützstellen gesetzt werden und es ist auch eine Anpassung über nicht-lineare
Funktionen denkbar. Die erste Korrekturfunktion k1(I_m) ist beispielsweise
im Betriebsprogramm des Steuergeräts hinterlegt. Es kann
jedoch auch vorgesehen sein, die Korrekturfunktion/-funktionen in
einem separaten Speicher abzulegen.
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Erfindungsgemäß ist
es vorgesehen, eine zweite Korrekturfunktion k2(U_VBBx) in Abhängigkeit
von der Versorgungsspannung VBBx zu ermitteln. In 3 ist
beispielhaft ein Verlauf des tatsächlichen Stroms I_t in
Abhängigkeit der Versorgungsspannung VBBx gezeigt, wobei
der gemessene Strom I_m für alle Messung – beispielsweise
durch Verändern der Last – konstant gehalten wird.
Beispielsweise könnten Stützstellen bei U1 = 10
Volt und U2 = 24 Volt bei einem konstanten Strom von 2,5 A vorgesehen
sein. Der Einfachheit halber ist in 3 ein linearer
Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung VBBx und tatsächlichen
Strom I_t dargestellt. Aus dem gezeigten Zusammenhang lässt
sich eine zweite Korrekturfunktion k2(U_VBBx, I_m = konst) = c·U_VBBx
+ d ermitteln. Die Parameter c und d werden im Speicher (9)
gespeichert.
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Ausgehend
von dieser zweiten Korrekturfunktion ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
einen additiven Stromkorrekturwert ΔI(U) zu ermitteln.
Beispielsweise kann der bei einer Versorgungsspannung U2 = 24 Volt
erfasste tatsächliche Strom I_t als Referenzstrom I_tref
herangezogen werden: ΔI(U) = k2 – I_tref
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Erfindungsgemäß ist
es vorgesehen den additiven Stromkorrekturwert ΔI(U) nur
für einen tatsächlichen Strom I_t zu erfassen
jedoch auf alle Strommessungen anzuwenden. Die hierdurch möglicherweise
auftreten Abweichungen vom tatsächlichen Strom sind i.
d. R. zu vernachlässigen.
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Zur
Ermittlung des tatsächlichen Stroms I_t wird zunächst
ausgehend vom gemessenen Strom I_m wird über die Korrekturfunktion
k1(I_m) ein erster Strom I'_t ermittelt und dann der Stromkorrekturwert ΔI(U)
addiert. I_t = k1(I_m) + ΔI(U) = I'_t
+ ΔI(U)
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Die
Korrektur ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der additive Stromkorrekturwert ΔI(U)
bei Vorliegen der Referenzspannung (beispielsweise 24 V) zu Null
wird und der erste Strom I'_t dem tatsächlichen Strom I_t
gemäß der Korrekturfunktion k1(I_m) entspricht.
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Alternativ,
und im Ergebnis gleichwertig, kann es beim Ermitteln der zweiten
Korrekturfunktion auch vorgesehen sein, anstatt den gemessenen Strom
I_m den tatsächlichen Strom I_t konstant zu halten. Hier
kann dann beispielsweise der bei einer Versorgungsspannung U2 =
24 Volt erfasste mittlere Strom I_m2 als Referenzstrom I_ref herangezogen werden
und ein Stromkorrekturwert ΔI_m(U) ermittelt werden. Prinzipiell
wäre dieser Stromkorrekturwert in die erste Korrekturfunktion
entsprechend I'_t = a·(I_m + ΔI_m(U))
+ beinzufügen. Da aber der Unterschied zwischen gemessenen
und tatsächlichen Strom typischerweise nur im absoluten
Wert und nicht im relativen Verlauf liegt, kann mit vernachlässigbarem
Fehler der über einen konstant gehaltenen tatsächlichen
Strom I_t ermittelte Stromkorrekturwert ΔI_t(U, I_m = const.) mit
dem bei konstante gehaltenem gemessenen Strom I_m ermittelten Stromkorrekturwert ΔI_m(U, I_t
= const.) gleichgesetzt werden. I_t = k1(I_m)
+ ΔI_m(U) = I'_t + ΔI_m(U) = I'_t + ΔI_t(U)
= I'_t + ΔI(U)
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In 4 ist
beispielhaft ein Kennfeld mit einer erfindungsgemäßen
Korrektur dargestellt. Auf der x-, y- und z-Achse sind der gemessene
Strom I_m, die Versorgungsspannung U_VBBx und der tatsächliche
Strom I_t aufgetragen. Wird in erster Näherung angenommen,
dass der tatsächliche Strom linear von den Parametern der
x- und y-Achse abhängt, kann die gesamte Kennfeldebene
bereits durch mindestens drei Stützstellen/Messpunkte M1,
2, 3 aufgespannt werden. Erfindungsgemäß ist das
Kennfeld durch die Abspeicherung der Funktionsparameter a, b, c,
d der Korrekturfunktionen vollständig beschrieben.
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Alle
Messungen werden bei statischer Ansteuerung des Schalters 1 vorgenommen,
also ohne pulsweitenmodulierte Taktung. Besitzt das Steuergerät
mehrere Ausgänge, so werden die Kalibriermessungen vorzugsweise
an jedem der Ausgänge vorgenommen. Somit erhält
jeder Ausgang einen individuellen Parametersatz a, b, c, d.
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Im
Betrieb des Steuergeräts wird ausgehend von der über
den Mess-Shunt 2 abfallenden Spannung ein gemessener Strom
I_m ermittelt und mittels der ersten Korrekturfunktion k1 ein erster
tatsächlicher Storm I'_t ermittelt.
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5 zeigt
ein typisches PWM-Signal mit einer Periodenlänge t2. Durch
Verschieben der Pulszeit t1 lässt sich der mittlere Strom
IPWM regeln. In typischerweise werden vorzugsweise über
zeitlich äquidistante Messzeitpunkte MP die Spannungen über
den Messwiderstand abgegriffen und ein Strom ermittelt. Prinzipiell
wäre es nun möglich, den an jedem Messpunkt ermittelten
Strom erfindungsgemäß zu korrigieren. Vorzugsweise
ist es jedoch vorgesehen, den Strom über die PWM-Periode
zu mitteln und den gemittelten Strom IPWM als
gemessenen Strom I_m weiter zu verwenden.
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Auch
der additive Stromkorrekturwert dI(U) wird gemäß den
Taktzeiten der Puls-Weiten-Modulation gewichtet, ΔI(U)PWM = (ΔI(Uein)·tein + ΔI(U
= aus)·taus)/tgesso dass folgt: I_tPWM = k1(I_mPWM)
+ ΔI(U)PWM
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Die
Ermittlung der Parameter für die Gleichung zur Berechnung
des Korrekturwerts, kann sowohl in der Verarbeitungseinheit (Mikrocontroller)
auf dem Gerät, wie auch auf einer externen Verarbeitungseinheit
(PC) erfolgen, abhängig von der Definition der Kommunikationsschnittstelle
zwischen diesen Geräten während der Kalibrierung
in der Fertigung.
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Als
weitere Korrektur wäre es denkbar, auch einen Spannungsabfall über
den Schalter zu berücksichtigen. Der Spannungsabfall im
Schalter ist proportional zum fließenden Strom und könnte
beispielsweise in einer dritten Korrekturfunktion abgebildet werden.
Ein solcher Spannungsabfall bewegt sich jedoch typischerweise im
Bereich weniger Millivolt und kann daher in der Regel vernachlässigt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19915593
A1 [0004]
- - DE 10242791 A1 [0005]