DE102010019012B4

DE102010019012B4 - Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals

Info

Publication number: DE102010019012B4
Application number: DE102010019012.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2030-05-04
Also published as: DE102010019012A1; WO2011138242A1; KR20130061687A; US9091709B2; US20130049739A1; KR101719483B1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals (VBEMF),
mit einem Operationsverstärker (IC1B), dessen nicht-invertierender Eingang (5) an ein Referenzpotential angeschlossen ist,
dessen Ausgang (7) über einen ersten Widerstand (R2) mit dem invertierenden Eingang (6) verbunden ist,
mit einem Eingangsanschluss zur Beaufschlagung mit dem Messsignal (VBEMF), der über eine Serienschaltung aus einem Kondensator (C1) und einem zweiten Widerstand (R1) mit dem invertierenden Eingang (6) des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C1) und dem zweiten Widerstand (R1) über einen dritten Widerstand (R3) und eine erste in Sperrrichtung gepolte Diode (D1) mit dem negativen Versorgungspotential des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist,
dass der Verbindungspunkt zwischen dem dritten Widerstand (R3) und der ersten Diode (D1) über eine zweite in Flussrichtung gepolte Diode (D2) mit dem Ausgang (7) des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist und
dass das Referenzpotential ein positives Potential (+0,5V) ist.

Description

Bei heutigen Verbrennungsmotoren wird der Kraftstoff mittels Injektoren in den Brennraum eingespritzt. Um die hohen Anforderungen an die Schadstoffkonzentration im Abgas und damit die Verbrennungsgüte erfüllen zu können, ist es nötig, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer möglichst genau zu kennen bzw. zu bestimmen.
Kraftstoffinjektoren werden häufig durch Spulen angetrieben, wobei durch die Bestromung der Spule ein Anker bewegt wird, der ein Ventil öffnet. Der Öffnungszeitpunkt kann durch den Beginn der Bestromung der Spule hinreichend genau bestimmt werden. Problematisch ist jedoch der Schließzeitpunkt, da der Strom durch die Spule nach dem Abschalten der aktiven Bestromung nicht abrupt endet, sondern aufgrund der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie über einen Freilauf abgebaut werden muss. Solange in der Spule jedoch noch ein Strom fließt, dessen Größe nicht genauer bekannt ist, kann nur schwer vorhergesagt werden, wann die aufgrund des Magnetfelds erzeugte Kraft auf den Anker ausreichend klein geworden ist, um ein Schließen des Ventils durch eine gegen die Magnetfeldkraft wirkende Federkraft zu ermöglichen. Außerdem wird nicht nur durch die Selbstinduktion der Spule eine Gegenspannung induziert, die den Stromfluss und damit das Magnetfeld aufrechterhält, sondern dieser Gegenspannung durch die Bewegung des Ankers eine weitere Komponente einer Induktionsspannung überlagert.
Die Frage, ob das Ventil offen oder geschlossen ist, wird durch die Position des Ankers bestimmt, so dass aus der Kenntnis der Ankerlage auf den Schließzeitpunkt geschlossen werden kann.
Der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2009 032 521 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Schließzeitpunkts eines durch eine Spule getriebenen Ventils entnehmbar, bei dem die Differenz einer ersten Spannung, die repräsentativ für den in der Spule aufgrund des nach dem Abschalten der aktiven Bestromung der Spule stattfindenden Abbaus der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie und der Induktion aufgrund der Ankerbewegung fließenden Strom ist, und einer zweiten Spannung, die repräsentativ für den Anteil des in der Spule fließenden Stroms allein aufgrund des Abbaus der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie ist, gebildet wird, um den allein wegen der Induktion aufgrund der Ankerbewegung erzeugten Spannungsanteil zu gewinnen. Die zweite Spannung wird dabei an einem sich entladenden Kondensator abgegriffen, wobei die Ladung des Kondensators getriggert durch die sich an der Spule nach dem Abschalten der aktiven Bestromung einstellende hohe Spannungsspitze erfolgt. Die erste Spannung und die daraus gewonnene Ladespannung für den Kondensator werden über einen Spannungsteiler aus der sich an der Spule aufgrund der Beschaltung mit dem Spannungsteiler sich ergebenden Spannung gewonnen.
Diese erste und die zweite Spannung werden einem Differenzverstärker zugeführt, der als Ausgangssignal den nur durch die Bewegung des Ventilankers induzierten Anteil der Spulenspannung liefert. Dieses Ausgangssignal weist betragsmäßig zumindest ein Maximum im Signalverlauf auf, dessen Zeitpunkt den Schließzeitpunkt des Ventils aufgrund des Erreichens der Endlage durch den Anker angibt. Es versteht sich von selbst, dass das Maximum im Signalverlauf mathematisch betrachtet auch ein Minimum sein kann, je nachdem, welchen Eingängen des Differenzverstärkers die erste und die zweite Spannung zugeführt werden.
Aus der DE 101 50 199 A1 ist bereits bekannt, durch Differentiation das Maximum dieses Signalverlaufs zu erkennen. Der Transient dieses durch Differentiation erhaltenen Signals gibt den Schließzeitpunkt an und ist leicht zu detektieren.
Eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals mit einem Operationsverstärker, dessen nicht-invertierender Eingang an ein Referenzpotential angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen ersten Widerstand mit dem invertierenden Eingang verbunden ist und mit einem Eingangsanschluss zur Beaufschlagung mit dem Messsignal, der über eine Serienschaltung aus einem Kondensator und einem zweiten Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, ist beispielsweise aus „Halbleiterschaltungstechnik“ von Tietze/Schenk, siebente Auflage, 1985, Seiten 312, 313 bekannt, wobei dort das Referenzpotential das Massepotential ist. Aufgrund des zweiten Widerstands wird eine höhere Stabilität des Differentiators erreicht, allerdings führt dies zu einer Phasenverschiebung des Ausgangssignals, so dass der das Maximum des Messsignals anzeigende Transient im Ausgangssignal zu spät kommt. Dies ist für die genaue Erkennung des Schließzeitpunkts eines Kraftstoffventils unzureichend.
Die DE 35 31 643 A1 beschreibt eine Wandleranordnung zum Erfassen der Bewegung eines Bauteils zwischen einer ersten und einer zweiten Extremstellung, wobei ein Wandler vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal einem Anschluss eines Differenzverstärkers zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers wird dem einen Eingang eines Komparators zugeführt, an dessen Ausgang das Ausgangssignal erscheint. Am anderen Eingang des Komparators liegt eine Spannung, die vom Abgriff eines Spannungsteilers erhalten wird, an dessen Eingänge die Ausgänge einer ersten und einer zweiten Abtast/Halte-Schaltung angeschlossen sind, wobei die erste dieser Schaltungen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, während die zweite dieser Schaltungen mit einer Maximalwert-Speicherschaltung verbunden ist. Der andere Eingang des Differenzverstärkers ist mit einem Integrator verbunden, der das Ausgangssignal der ersten Abtast/HalteSchaltung aufintegriert.
Die DE 10 2005 044 886 A1 offenbart eine Vorrichtung, die ausgebildet ist zum Erfassen einer ersten Größe, die repräsentativ ist für eine Induktionsspannung, die durch eine Bewegung eines Ventilkolbens in einer Spule eines Ventils induziert wird. Die Vorrichtung ist weiter ausgebildet zum Ermitteln einer zweiten Größe, die repräsentativ ist für eine erste Ableitung der ersten Größe nach der Zeit. Ferner ist die Vorrichtung ausgebildet zum Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens in dem Ventil, wenn die erste Größe größer ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert und die zweite Größe unter einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert fällt.
Die WO 91/13991 A1 offenbart ein elektromagnetisches Ventil, das geöffnet wird durch Anlegen einer Spannung an eine Spule, welche das Ventil anzieht, um das Ventil von einem Ventilsitz zu einer Stopposition zu bringen, in welcher das Ventil offen ist. Ein System zum Ermitteln des Öffnens des Ventils ist mit Mitteln zur Überwachung des Stromflusses in der Spule und Mitteln zur Erkennung von Zeitabweichungen im Spulenstrom, welche der Stopposition des Ventils korrespondieren, gebildet. Ein System zum Ermitteln des Schließens des Ventils ist mit Mitteln zur Überwachung des Spannung über der Spule und Mitteln zur Erkennung von Zeitabweichungen in der Spulenspannung, welche der geschlossenen Position des Ventils korrespondieren, gebildet.
Die US 2010/0008007 A1 betrifft Verfahren, Systeme Schaltungen und Geräte zur Erkennung und Unterscheidung von empfangenen einkommenden Hochspannungswechsel- und Gleichstromsignalen oder -strömen.
Es ist folglich die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die mit geringem Aufwand und damit kostengünstig eine bessere Lösung zur Verfügung stellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals, mit einem Operationsverstärker, dessen nicht-invertierender Eingang an ein Referenzpotential angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen ersten Widerstand mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, mit einem Eingangsanschluss zur Beaufschlagung mit dem Messsignal, der über eine Serienschaltung aus einem Kondensator und einem zweiten Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem zweiten Widerstand über einen dritten Widerstand und eine erste in Sperrrichtung gepolte Diode mit dem negativen Versorgungspotential des Operationsverstärkers verbunden ist und wobei das Referenzpotential ein positives Potential - vorzugsweise bei einem positiven Versorgungspotential des Operationsverstärkers von +5V und einem negativen Versorgungspotential von 0V etwa +0,5V - ist. Außerdem ist der Verbindungspunkt zwischen dem dritten Widerstand und der ersten Diode über eine zweite in Flussrichtung gepolte Diode mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden.
Die erste Diode dient als Unterspannungsbegrenzung für den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, dessen negatives Versorgungspotential Massebezug hat. Der dritte Widerstand dient dabei der Strombegrenzung, so dass die das Messsignal liefernde Quelle nicht zu stark belastet wird. Diese Quelle ist meist der Ausgang eines als Spannungsverstärker arbeitenden Operationsverstärkers. Wird dessen Ausgang zu niederohmig belastet, kann es zu Phasenverschiebungen und parasitären Oszillationen kommen.
Die zweite Diode begrenzt deren Anodenanschluss auf einen Wert, der um die Durchlassspannung höher als das Ausgangspotential des invertierenden Differentiators ist. Durch diese Klemmung wird die Ansprechgenauigkeit des Differentiators ganz wesentlich gesteigert, wobei gleichzeitig seine Störempfindlichkeit gegen Signalrauschen während der Anstiegsphase des Messsignals deutlich zurückgedrängt wird.
Die positive Referenzspannung am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers von vorzugsweise +0,5 V ist erforderlich, weil die Flussspannung der zweiten Diode nicht 0V sondern ca. 0,5V bis 0,7V ist. Durch diese Verschiebung von 0,5V des Referenzpotentials des Differentiators wird dessen Regelungspunkt knapp unter die Flussspannung der zweiten Diode gelegt. Da während der ansteigenden Phase des Messsignals die Spannung am invertierenden Eingang des Differentiators näherungsweise den Wert der Flussspannung der zweiten Diode hat, liegt dieses Potential oberhalb der Spannung am nichtinvertierenden Eingang. Als Folge davon läuft der Ausgang des Differentiators in die negative Begrenzung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen

1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
2 eine erweiterte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
3 die Signalverläufe am Eingang, Ausgang und nach dem Kondensator bei der Schaltungsanordnung nach 1 und
4 die Signalverläufe am Eingang, Ausgang und nach dem Kondensator bei der Schaltungsanordnung nach 2.

1 zeigt einen Operationsverstärker IC1B, dessen positives Versorgungspotential +5V und dessen negatives Versorgungspotential 0V beträgt. Sein nicht-invertierender Eingang 5 ist an ein Referenzpotential von +0,5V angeschlossen. Sein Ausgang 7 ist über einen ersten Widerstand R2 mit dem invertierenden Eingang 6 verbunden. Ein Eingang VBEMF der Schaltungsanordnung ist über eine Serienschaltung aus einem Kondensator C1 und einem zweiten Widerstand R1 mit dem invertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers IC1B verbunden. Insoweit entspricht die Schaltungsanordnung weitgehend einem bekannten Differentiator.
In erfindungsgemäßer Weise ist der Verbindungspunkt des Kondensators C1 und des zweiten Widerstands R1 über eine Serienschaltung aus einem dritten Widerstand R3 und einer ersten Diode D1 mit dem negativen Versorgungspotential 0V verbunden. Außerdem ist der Verbindungspunkt des dritten Widerstands R3 und der ersten Diode D1 über eine zweite Diode D2 mit dem Ausgang 7 des Operationsverstärkers IC1B verbunden.
In der 3 sind in der mittleren Darstellung der Signalverlauf am Ausgang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und in der unteren Darstellung der Signalverlauf am Verbindungspunkt des Kondensators C1 und des zweiten Widerstands R1 bei einem Eingangssignal, wie es in der oberen Darstellung gezeigt ist, gezeichnet. Wie deutlich zu erkennen ist, liefert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nur bei relativ großen Änderungen des Eingangssignal einen Transienten im Ausgangssignal, wobei der interessierende Transient, der das Maximum im Eingangssignal aufgrund des Stopps der Ankerbewegung eines mittels einer Spule betätigten Kraftstoffeinspritzventils anzeigt, bei etwa 2,6ms liegt.
Im der unteren Darstellung ist zu erkennen, dass die Spannung am Verbindungspunkt des Kondensators C1 und des zweiten Widerstands R1, welche etwa der Spannung am invertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers entspricht, zwischen etwa -0,7V und +1V verläuft, was bewirkt, dass der Differentiator trotz des zweiten Widerstands R1 keine Phasenverzögerung aufweist.
Zur Extraktion des absoluten Maximums kann in vorteilhafter Weise eine Diskriminatorschaltung gemäß der 4 verwendet werden.
Diese weist neben der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals, die dieselben Bezugszeichen wie in der 1 aufweist, eine Schaltungserweiterung bestehend aus zwei als Schmitt-Trigger ausgebildeten Komparatoren IC2A, IC2B auf. Die Ausgänge 1 bzw. 7 der Komparatoren IC2A und IC2B sind hierzu jeweils über einen vierten Widerstand R6 und eine in Durchlassrichtung gepolte Diode D3 bzw. D4 mit ihren nicht-invertierenden Eingängen 3 bzw. 5 verbunden.
Dem Komparator IC2A ist einerseits das Messsignal vom Eingang VBEMF der Schaltungsanordnung und andererseits eine Referenzspannung von +1,5V zugeführt. Dem Komparator IC2B ist einerseits das Ausgangssignal des Differentiators und andererseits eine Referenzspannung von +2V zugeführt. Die Referenzspannungen können selbstverständlich anwendungsgemäß ausgewählt werden und beispielsweise mittels eines Spannungsteilers aus den Versorgungsspannungen gewonnen werden.
Die Ausgänge der Komparatoren sind miteinander und über einen fünften Widerstand R7 mit dem positiven Versorgungspotential verbunden. Sie bilden eine logische UND-Verknüpfung, so dass am Ausgang dieser Diskriminatorschaltung nur ein Signal erscheint, wenn und solange sowohl der Ausgang des Differentiators als auch das Messsignal selbst über ihren jeweils zugeordneten Referenzpotentialen liegen.

Claims

Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Maximums im Verlauf eines Messsignals (VBEMF), mit einem Operationsverstärker (IC1B), dessen nicht-invertierender Eingang (5) an ein Referenzpotential angeschlossen ist, dessen Ausgang (7) über einen ersten Widerstand (R2) mit dem invertierenden Eingang (6) verbunden ist, mit einem Eingangsanschluss zur Beaufschlagung mit dem Messsignal (VBEMF), der über eine Serienschaltung aus einem Kondensator (C1) und einem zweiten Widerstand (R1) mit dem invertierenden Eingang (6) des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C1) und dem zweiten Widerstand (R1) über einen dritten Widerstand (R3) und eine erste in Sperrrichtung gepolte Diode (D1) mit dem negativen Versorgungspotential des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist, dass der Verbindungspunkt zwischen dem dritten Widerstand (R3) und der ersten Diode (D1) über eine zweite in Flussrichtung gepolte Diode (D2) mit dem Ausgang (7) des Operationsverstärkers (IC1B) verbunden ist und dass das Referenzpotential ein positives Potential (+0,5V) ist.