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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines Betriebs
einer Endstufe, eine Anordnung zum Kontrollieren eines Betriebs
einer Endstufe, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Ein
Verbrennungsmotor kann u. a. sogenannte Piezoinjektoren aufweisen,
die zur Durchführung von Einspritzvorgängen für
Zylinder des Verbrennungsmotors ausgebildet sind. Ein derartiger
Piezoinjektor weist einen Piezoaktor und ein Ventilelement auf.
Mehrere Piezoaktoren eines Verbrennungsmotors können von
einer Endstufe kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt
werden, wobei die Piezoaktoren von der Endstufe mit elektrischer Energie
versorgt werden. Die Funktion der Endstufe kann durch Ermitteln
von Betriebsparametern der Endstufe überwacht werden.
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Die
Druckschrift
DE
10 2004 058 672 A1 beschreibt eine elektrische Schaltung
zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements für eine
Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Schaltung umfasst
zu dem piezoelektrischen Element in Serie geschaltete erste Mittel
zur Strommessung, insbesondere einen ersten Messwiderstand mit zwei
in Serie geschalteten Transistoren, deren gemeinsamer Anschlusspunkt
mit dem piezoelektrischen Element gekoppelt ist. Die beiden in Serie
geschalteten Transistoren liegen mit ihrem Mittenpunkt nicht direkt
am piezoelektrischen Element sondern sind über eine große
Drosselspule abgekoppelt. Dabei wird eine Halbbrückenschaltung
mit einer Strommessung am Fußpunkt realisiert. Außerdem
umfasst die elektrische Schaltung zweite Mittel zur Strommessung,
insbesondere einen zweiten Messwiderstand, wobei die beiden Transistoren
und die zweiten Mittel zur Strommessung in Serie geschaltet sind.
Hierbei wird eine zweite Strommessung für alle piezoelektrischen
Elemente einer Bank gemeinsam durchgeführt. Bei den Transistoren
handelt es sich um Auswahlschalter, die ein gewünschtes
piezoelektrisches Element selektieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren einer Endstufe,
die zur Bereitstellung elektrischer Energie für eine Anzahl
Piezoaktoren ausgebildet ist und eine Gleichtakt-Drossel mit drei
Spulenwicklungen aufweist, wobei bei Betrieb der Endstufe ein durch
die erste Spulenwicklung fließender erster Strom ein erstes
Magnetfeld und ein durch die zweite Spulenwicklung fließender
zweiter Strom ein zweites Magnetfeld bspw. durch Induktion erzeugt.
Eine Überlagerung der beiden Magnetfelder wird mittels einer
elektrischen Größe in einer Schaltungsanordnung,
die die dritte Spulenwicklung umfasst, nachgewiesen.
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In
Ausgestaltung ergibt sich aus einer Differenz des durch die erste
Spulenwicklung fließenden Stroms und des durch die zweite
Spulenwicklung fließenden Stroms ein Differenzstrom, der
ein Gesamtmagnetfeld, bspw. einen magnetischen Fluss oder eine Magnetisierung
erzeugt. Dieses Gesamtmagnetfeld wird mit der dritten Spulenwicklungen
der Gleichtakt-Drossel, die auch als Sensewicklung bezeichnet wird,
erfasst. Die Gleichtakt-Drossel weist drei Spulenwicklungen auf,
nämlich die beiden ersten Spulenwicklungen, sowie als Zusatzspule
die dritte Spulenwicklung zur Sensierung des Differenzstroms. Das
Gesamtmagnetfeld kann durch eine elektrische Größe,
die sich in Abhängigkeit des Gesamtmagnetfelds für
die dritte Spulenwicklung ergibt, erfasst werden. Dabei kann als
elektrische Größe in der dritten Spulenwicklung
bzw. Sensewicklung ein Strom gemessen werden, der zu dem Differenzstrom
der beiden Hauptwicklungen und demnach der ersten und zweiten Spulenwicklung
proportional ist.
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Durch
das Kontrollieren ist üblicherweise ein Steuern und/oder
Regeln des Betriebs der Endstufe möglich. Dies umfasst
auch eine Diagnose des Betriebs der Endstufe. Der Differenzstrom
wird zum Kontrollieren und folglich auch zur Diagnose des Betriebs
der Endstufe verwendet.
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Eine
Auswertung der elektrischen Größe, bspw. des Differenzstroms
wird durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC,
Application Specific Integrated Circuit) durchgeführt.
Bei der Diagnose können bei Betrieb auftretende Fehler, bspw.
ein Kurzschluss der Endstufe und/oder eines mit der Endstufe verbundenen
Kabelbaums, nachgewiesen werden. Ein derartiger Kabelbaum kann bspw.
Zuleitungen umfassen, über die die Piezoaktoren mit der
ersten Spulenwicklung und der zweiten Spulenwicklung der Gleichtakt-Drossel
verbunden sind.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Kontrollieren einer
Endstufe, die zur Bereitstellung elektrischer Energie für
eine Anzahl Piezoaktoren ausgebildet ist und eine Gleichtakt-Drossel
mit drei Spulenwicklungen aufweist, wobei bei Betrieb der Endstufe
ein durch die erste Spulenwicklung fließender erster Strom
ein erstes Magnetfeld und ein durch die zweite Spulenwicklung fließender
zweiter Strom ein zweites Magnetfeld induziert bzw. erzeugt. Die
dritte Spulenwicklung ist dazu ausgebildet, eine Überlagerung
der beiden Magnetfelder zu erfassen. Die Anordnung ist dazu ausgebildet,
die Überlagerung der beiden Magnetfelder über
eine elektrische Größe nachzuweisen. Weiterhin
kann die Anordnung eine Schaltungsanordnung umfassen, die elektronische
Bauteile aufweist, die mit der dritten Spulenwicklung verbunden
sind.
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Die
dritte Spulenwicklung ist weiterhin darin ausgebildet, die Überlagerung
der Magnetfelder der ersten und zweiten Spulenwicklung der Gleichtakt-Drossel
kontakt- bzw. berührungslos durch eine Messung zu erfassen.
Die mit der dritten Spulenwicklung verbundene, als Strommessschaltung
ausgebildete Schaltungsanordnung kann ein RC-Glied zur Signalglättung
und Eliminierung von Störungen enthalten. Durch ein von
der dritten Spulenwicklung erfasstes Gesamtmagnetfeld, das sich
durch Überlagerung des ersten und zweiten Magnetfelds ergibt,
wird in der dritten Spulenwicklung ein Strom angeregt. Über das
RC-Glied, das als Hochpass- oder Tiefpassfilter ausgebildet sein
kann, wird die Frequenz dieses Stroms gefiltert. Der Differenzstrom
kann in einer Ausgestaltung aus einem Strom, der in der dritten Spulenwicklung
fließt, abgeleitet und demnach bestimmt werden. Dabei ist
es möglich, einen typischerweise zeitlichen Verlauf des
Differenzstroms aus einem Spannungsverlauf der an der dritten Spulenwicklung
anliegenden Spannung zu ermitteln. Dies erfolgt für den
Normalbetrieb und insbe sondere für den Fall von externen
Kurzschlüssen, die zu einem signifikanten Differenzstrom
in der Gleichtakt-Drossel führen.
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Die
Anordnung kann eine Anzahl zueinander parallel geschalteter Pufferkondensatoren,
die über eine Halbbrücke mit der ersten Spulenwicklung
der Gleichtakt-Drossel verbunden sind, aufweisen. Mit einer anwendungsspezifischen
integrierten Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit) der
Anordnung kann der ermittelte Spannungsverlauf oder ggf. der Differenzstrom
für die dritte Spulenwicklung ausgewertet und eine Reaktion
auf ein Ergebnis der Diagnose umgesetzt werden. Außerdem
kann auch die Endstufe als Komponente der Anordnung ausgebildet
sein.
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Mit
der Erfindung ist somit u. a. eine Differenzstromdiagnose auf Grundlage
einer Differenzstromsensierung über eine stromkompensierte
Drossel möglich. Die Differenzstromsensierung bzw. -messung
erfolgt in der Regel über die Gleichtakt-Drossel, die auch
als Common-Mode-Drossel bzw. CM-Drossel bezeichnet wird. Kurzschlüsse,
die zu einem Ansprechen der Differenzstrommessung führen,
bewirken gleichzeitig eine Aufmagnetisierung als erfassbares magnetisches
Feld der CM-Drossel, was durch die dritte Spulen- bzw. Strommesswicklung
detektiert werden kann. Diese dritte Spulenwicklung ist zusammen
mit der ersten und zweiten Spulenwicklung auf einem Magnetkern angeordnet
und dazu ausgebildet, für das Magnetfeld bzw. das magnetische
Feld eine magnetische Feldstärke oder Flussdichte, die
von dem durch die Gleichtakt-Drossel fließenden Strom abhängig
ist, zu messen.
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Bei
einer Differenzstromsensierung mit Messwiderständen, die
als Puffershunt und als Piezoshunt ausgebildet sind, muss, wie beim
Stand der Technik, u. a. jeder Injektorbank ein eigener Pufferkondensator
und Messwiderstand zugeordnet sein, um den fließenden Strom
der Bank zuordnen zu können. Bei einer Umsetzung der Erfindung
können die beiden Messwiderstände beibehalten
werden, so wird bspw. der Piezoshunt zur Regelung des Stroms verwendet.
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Mit
der nun möglichen Parallelschaltung von mehreren Pufferkondensatoren
in der Endstufe ergibt sich u. a., dass bei geringen Anforderungen
an eine Einspritzanzahl sog. 2-Bank-Endstufen mit nur einem Pufferkondensator
realisiert werden können. In einer 2-Bank-Endstufe mit
zwei parallel geschalteten Pufferkondensatoren kann die doppelte
Energie gespeichert werden, so dass auf kurzfristige Einspritzmaxima,
z. B. splitted post, reagiert werden kann. Des weiteren ergeben
sich im Falle der Parallelschaltung Vorteile bei der Effektivstrombelastung der
Pufferkondensatoren.
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Die
beschriebene Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche
Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei
können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen
Komponenten, in der Regel von elektrischen Bauteilen, der Anordnung
durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen
der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung
als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem
ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen einzelner
Komponenten der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert
werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln,
um alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn
das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen
Anordnung, ausgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln,
die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind,
ist zum Durchführen aller Schritte eines beschriebenen
Verfahrens ausgebildet, wenn das Computerprogramm auf einem Computer
oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen
Anordnung, ausgeführt wird.
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Bei
der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Endstufe wird die Differenzstrommessung
an der stromkompensierten Gleichtakt-Drossel durchgeführt.
Die dritte Spulenwicklung wird dabei mit möglichst geringer
Windungzahl ausgeführt und niederohmig belastet. Das zusätzliche
RC-Glied verhindert, dass auch sehr kurze Störimpulse eine
Auswirkung auf die Diagnose haben. Die Strommessung über
den Pufferkondensator, wie es beim Stand der Technik erforderlich
ist, kann in diesem Fall entfallen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte
Vorrichtung.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Anordnung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen
schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die
Figuren werden zusammenhängend und übergreifend
beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 2,
die hier hier als Common-Rail-Piezo-Endstufe ausgebildet ist, umfasst
eine Energiequelle 4, eine Diode 6, einen Pufferkondensator 8,
einen als Shunt ausgebildeten Puffer-Messwiderstand 10,
der an Masse 12 liegt, sowie eine Halbbrücke mit
einem Highside-Schalter 14, der dem Pufferkondensator 8 zugeordnet
ist, und einem Lowside-Schalter 16, der der Masse 12 zugeordnet
ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 2 eine Drossel 18 sowie
eine Gleichtakt-Drossel 19, die auch als Common-Mode-Drossel bezeichnet
wird und eine erste und eine zweite Spulenwicklung 20, 30 umfasst.
Der Vorrichtung 2 sind drei Piezoaktoren 22, 24, 26 mit
jeweils einem in Reihe geschaltetem Schalter 28 zugeordnet.
Die zweite Spu lenwicklung 30 ist zwischen den Piezoaktoren 22, 24, 26 und
Masse 12 geschaltet. Zwischen der zweiten Spulenwicklung 30 und
Masse 12 ist weiterhin ein als P-Shunt bezeichneter Piezo-Messwiderstand 32 geschaltet.
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Für
Regel- und Diagnosezwecke wird hier der Injektorstrom an zwei Stellen
mittels der als Nebenschlusswiderstände bzw. Strommessshunts
ausgebildeten Messwiderstände 10, 32 erfasst.
Im Detail ist dies an den negativen Injektoranschlüssen über den
Piezo-Messwiderstand 32 und an der Halbbrücke über
den Puffer-Messwiderstand 10 möglich.
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Weiterhin
wird in einem als ASIC ausgebildeten Schaltkreis die Differenz aus
den beiden an den Messwiderständen 10, 32 gemessenen
Strömen gebildet. Wenn im Fall von Kurzschlüssen
auf einem Kabelbaum, der mit der Vorrichtung 2 verbunden
ist, ein Strom aus dem Steuergerät heraus nach Masse 12 abfließt,
wird dieser Stromfluss durch den Puffer-Messwiderstand 10 jedoch
nicht auf dem Piezo-Messwiderstand 32 erfasst. Durch die
Differenzbildung im Schaltkreis (ASIC) wird der Fehler erkannt und
eine entsprechende Diagnosereaktion eingeleitet. Die Gleichtakt-Drossel 20 (CM-Drossel)
ist in der Schaltung zur Störstromunterdrückung
ausgebildet.
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Die
in 2 schematisch dargestellte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung 40 umfasst
eine Endstufe 42, die zur Bereitstellung einer Speichereinspritzung
ausgebildet ist und auch als Common-Rail-Piezo-Endstufe 42 bezeichnet wird,
sowie drei Piezoaktoren 44, 46, 48 mit
jeweils einem in Reihe geschalteten Schalter 50. Jedem
Piezoaktor 44, 46, 48 ist ein Ventilelement
eines Verbrennungsmotors zugeordnet, je ein Piezoaktor 44, 46, 48 und
ein Ventilelement bilden einen Piezoinjektor für einen
Zylinder.
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Bei
Betrieb der Endstufe 42 wird den Piezoaktoren 44, 46, 48 von
der Endstufe 42 elektrische Energie bereitgestellt, Mit
dieser bereitgestellten elektrischen Energie können die
Piezoaktoren 44, 46, 48 die zugeordneten
Ventilelemente betätigen und somit für die Zylinder
des Verbrennungsmotors Einspritzvorgänge realisieren.
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Die
Endstufe 42 umfasst im Detail eine Energiequelle 52,
eine Diode 54, einen Pufferkondensator 56, zu
dem eine Halbbrücke parallel geschaltet ist, die einen
Highside-Schalter 58, der dem Pufferkondensator 56 zugeordnet
ist, und einen Lowside-Schalter 60, der Masse 62 zugeordnet
ist, aufweist. Außerdem umfasst die Endstufe 42 eine
Ladedrossel 64 sowie eine Gleichtakt-Drossel 65,
die auch als Common-Mode-Drossel 65 bezeichnet wird und
in der hier dargestellten Ausführungsform eine erste Spulenwicklung 66,
eine zweite Spulenwicklung 68, sowie eine dritte Spulenwicklung 72 umfasst.
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An
der ersten Spulenwicklung 66 der Gleichtakt-Drossel 65 sind über
eine erste Zuleitung 69 die drei Piezoaktoren 44, 46, 48 an
der Endstufe 42 angeschlossen. Außerdem sind die
drei Piezoaktoren 44, 46, 48 über
eine zweite Zuleitung 71 mit der zweiten Spulenwicklung 68 der
Endstufe 42 verbunden. Diese beiden Zuleitungen 69, 71, über
die die Piezoaktoren 44, 46, 48 mit der
Endstufe 42 verbunden sind, sind als Komponenten eines
Kabelbaums ausgebildet. Zwischen der zweiten Spulenwicklung 68 und
Masse 62 ist ein Widerstand 70 geschaltet. Bei Betrieb
fließen über parasitäre Kapazitäten
innerhalb der Piezoaktoren 44, 46, 48 Störströme
gegen Masse 62 des Fahrzeugs, die über eine Gleichtaktunterdückung
der Gleichtakt-Drossel 65 reduziert werden.
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Die
erste Spulenwicklung 66 und die zweite Spulenwicklung 68 sind
parallel nebeneinander angeordnet. Bei Betrieb der Endstufe 42 fließt
ein Strom durch die erste Spulenwicklung 66 und über
die erste Zuleitung 69 zu mindestens einem Piezoaktor 44, 46, 48 und über
die zweite Zuleitung 71 durch die zweite Spulenwicklung 68.
Der durch die erste Spulenwicklung 66 fließende
Strom erzeugt ein erstes Magnetfeld, wenn der Strom durch die zweite
Spulenwicklung 68 fließt, erzeugt dieser ein zweites
Magnetfeld. Ein Gesamtmagnetfeld ergibt sich durch Überlagerung
der beiden durch die erste und zweite Spulenwicklung 66, 68 erzeugten
und sich überlagernden Magnetfelder.
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Eine
Erzeugung der Magnetfelder bzw. magnetischen Felder erfolgt hier
durch Induktion. Die beiden Spulenwicklungen 66, 68 erzeugen,
wenn durch sie jeweils derselbe Strom fließt, Magnetfelder
mit derselben Stärke. Da die beiden Spulenwicklungen 66, 68 parallel
und unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, ergibt sich, wenn
durch die Spulenwicklungen 66, 68 gleichgroße
Ströme in entge gengesetzte Richtungen fließen,
dass sich die beiden von den Spulenwicklungen 66, 68 durch
die fließenden Ströme erzeugten Magnetfelder gegenseitig
typischerweise aufheben bzw. kompensieren. In diesem Fall ist das
Gesamtmagnetfeld, das sich aus einer Überlagerung der beiden
Magnetfelder ergibt, in der Regel konstant mit einem Wert von annähernd
0 Henry, falls die magnetische Feldstärke berücksichtigt
wird, bzw. 0 Tesla, falls die magnetische Flussdichte bzw. Induktion
berücksichtigt wird.
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Parallel
zu der ersten Spulenwicklung 66 und der zweiten Spulenwicklung 68 ist
in der beschriebenen Ausführungsform der Endstufe 42 die
dritte Spulenwicklung 72, die zur Durchführung
einer Messung ausgebildet ist, angeordnet. Diese dritte Spulenwicklung 72 ist
dazu ausgebildet, das Gesamtmagnetfeld, bspw. die Feldstärke
oder Flussdichte, der ersten und zweiten Spulenwicklung 66, 68 zu
erfassen, wobei sich das Gesamtmagnetfeld durch Überlagerung
der in den Spulenwicklungen 66, 68 erzeugten magnetischen
Felder ergibt. Somit wird als eine elektrische Größe
auch ein Differenzstrom, der sich aus einer Differenz der durch
die Spulenwicklungen 66, 68 fließenden
Ströme ergibt, erfasst. Die dritte Spulenwicklung 72 ist
als eine Komponente einer Strommessschaltung 74 ausgebildet,
die zum Messen des durch die Spulenwicklungen 66, 68 fließenden
Stroms ein RC-Glied mit einem Kondensator 76 und einem
Widerstand 78 sowie einen weiteren Widerstand 80 aufweist.
Außerdem umfasst die Strommessschaltung 74 eine
Spannungsmesseinrichtung 81 zum Bestimmen eines an dem
Widerstand 80 anliegenden Spannungsverlaufs als elektrische
Größe. Aus diesem Spannungsverlauf kann der durch
die dritte Spulenwicklung 72 fließende Differenzstrom
abgeleitet werden.
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Bei
einer Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Endstufe 42 hinsichtlich eines korrekten Betriebs
kontrolliert, was eine Diagnose des Differenzstroms umfasst. Hierzu
wird über die dritte Spulenwicklung 72 und der
damit verbundenen Strommessschaltung 74 der durch die Spulenwicklungen 66, 68 fließende
Differenzstrom erfasst und zur Durchführung der Diagnose
verwendet. Ein bei Betrieb der Endstufe 42 auftretender
Fehler, der bspw. durch einen Kurzschluss bzw. Schluss gegen Masse 62 oder
andere Potentiale des mit der Endstufe 42 verbundenen Kabelbaums
bedingt sein kann, macht sich durch eine zeitliche Änderung
des Differenzstroms und somit des Gesamtmagnetfelds der Spulenwicklungen 66, 68 bemerkbar.
Die zeitliche Änderung wird mit der dritten Spulenwicklung 72 erfasst.
Durch Auswerten des Differenzstroms und/oder des Stromverlaufs in
der dritten Spulenwicklung 72 ist eine Diagnose des Betriebs
der Endestufe 42 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004058672
A1 [0003]