-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 9.
-
Mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) werden elektrische Signale pulsförmig zur Leistungseinstellung moduliert. Im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik ist es bekannt, eine induktive Last (zum Beispiel eine Magnetventilspule) unter Verwendung eines Feldeffekttransistors (FET) über das Gate des FETs von einem PWM-Generator mit variablem Tastgrad (Pulspausenverhältnis der PWM) anzusteuern. Hierdurch lässt sich ein Fluidstrom durch das Magnetventil Steuern oder Regeln.
-
Aus der
EP 144 230 9 B1 und der
EP 197 750 2 A2 ist bekannt, den Spulenstrom redundant in einem „Low-Side“-Treiber und in einem „High-Side“-Treiber zu messen, um einen entsprechend implementierten Stromregler zu überprüfen.
-
Die
EP 226 547 8 A1 beschreibt eine PWM-Ansteuerelektronik, bei welcher der „High-Side“-Treiber aus Gründen der Kosteneinsparung entfällt, womit auch die Möglichkeit nicht mehr besteht eine redundante Strommessung an dem „High-Side“-Treiber durchzuführen. Zur Realisierung einer relativ präzisen Strommessung wird eine Signal-Konservations-Schaltung vorgesehen, die das Messsignal eines Laststroms für eine definierte Haltezeit bereitstellt.
-
In der
EP 148 086 2 B1 wird gezeigt wie die Überwachung einer PWM-Ansteuerelektronik durch eine Spannungsmessung und den durch einen Stromregler berechneten Tastgrad erzielt wird. Der aus dem Produkt des Tastgrads und der Versorgungsspannung unter Berücksichtigung des Last- und Halbleiterwiderstands bestimmte Strom zur halben Einschaltzeit der Pulsweite, entspricht bei korrekter Funktion annähernd dem Vorgabewert und wird entsprechend überwacht.
-
Die gattungsgemäße
DE 10 2010 001 004 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung von Aktuatoren innerhalb eines Bordnetzsystems, welches unterschiedliche Betriebsspannungen bzw. zeitliche Bordnetzspannungsänderungen aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Aktuatoren mit unterschiedlichen pulsweitenmodulierten Ansteuersignalen angesteuert werden, wobei die Pulsweite und die Periodendauer der Ansteuersignale unabhängig voneinander einstellbar sind und abhängig von der aktuell anliegenden Bordnetzspannung angepasst werden können.
-
Die
DE 10 2009 003 099 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines durch ein Bauteil fließenden Stroms, bei dem der fließende Strom nicht ermittelt wird. Das Bauteil kann ein Starterrelais sein, das im ausgeschalteten Zustand mit einem Zusatzstrom beaufschlagt wird. Aus dem fließenden Zusatzstrom soll der Spannungsabfall in der Relaiswicklung ermittelt werden. Abhängig von dem ermittelten Spannungsabfall soll der im Relais fließende Strom durch geeignete Ansteuerung eines Schalters eingestellt werden können.
-
Die
DE 39 09 042 A1 beschreibt eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem elektromagnetisch arbeitenden Stellglied. Zur Erzielung hoher Leistungsdaten unabhängig von der Größe der Versorgungsspannung wird vorgeschlagen, daß das Stellglied von einer einen Tastbetrieb einer Versorgungsspannung vornehmenden Ansteuerschaltung betrieben wird, die bei steigender Versorgungsspannung den Stellglied-Tastgrad verkleinert.
-
Die
DE 10 2011 005 270 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsreglers, welcher einen Sensor umfassen kann, der dazu ausgebildet ist, einen Messwert eines Stroms oder einer Spannung zu erzeugen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine besonders einfache PWM-Ansteuerschaltung bereitzustellen mit der eine im Wesentlichen konstante Spannung für eine Last zur Verfügung gestellt werden kann, welche keine aufwändige Stromregelung benötigt und welche für den Einsatz in Sicherheitsanwendungen im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik geeignet ist. Außerdem sollen durch die vorliegende Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik Bauteilkosten eingespart werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Die elektronische PWM-Ansteuerschaltung zur Ansteuerung einer oder mehrerer Lasten, insbesondere Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme, umfasst einen oder mehrere mit der oder den Lasten verbundene Treiber und mindestens einen PWM-Generator, der mit dem oder den Treibern verbunden ist. Die der oder den Last/-en zugeführte elektrische Leistung wird durch Änderung der Pulsweite oder des Tastgrades über einen Steuereingang des PWM-Generators gesteuert oder begrenzt oder geregelt. Der Steuereingang ist außerdem weder direkt noch indirekt mit einer Einrichtung zur Messung oder Bestimmung des Laststroms/der Lastströme oder der in der/den Last/-en verbrauchten Leistung verbunden.
-
Auf vorteilhafte Weise kann damit eine Begrenzung oder Steuerung oder Regelung der Spannung von Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme durchgeführt werden, weshalb sich die Schaltung besonders für den Einsatz in Sicherheitsanwendungen insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik eignet. Dabei erfolgt keine Messung oder Bestimmung des Laststroms, so dass die PWM-Schaltung auch nicht als ein Stromregler aufgefasst werden kann. In diesem Fall spricht man von einer Spannungssteuerung, auch wenn einige Schaltungsteile dem Aufbau nach einer Stromregelschaltung ähneln. Im Vergleich zum Stand der Technik können durch das Entfallen wesentlicher Bauelemente, welche für die Realisierung einer Stromregelung notwendig sind, erheblich Kosten eingespart werden.
-
Dabei ist der Steuereingang direkt oder indirekt mit der Versorgungsspannung der Last(en), insbesondere mindestens einem Magnetventil, oder einem ähnlich versorgungsspannungsabhängigen Potential verbunden. Besonders bevorzugt wird die Versorgungsspannung als Führungsgröße der PWM-Ansteuerung herangezogen. Dies gilt insbesondere für die Spannung an KL30 (Versorgungsspannung). Dabei wird bevorzugt keine geschlossene Regelschleife gebildet, sondern eine auf der Führungsgröße basierende Steuerung.
-
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist/sind eine oder mehrere Erfassungseinrichtung/en insbesondere zur Spannungserfassung vorgesehen, die mit einem Potential zwischen Treiber und der/den Last(en) verbunden ist/sind. Bevorzugt ist/sind die Erfassungseinrichtung/en ausgangsseitig mit einer Auswerteeinrichtung verbunden.
-
Mit diesem bevorzugten Schaltungselement erfolgt vorteilhafterweise eine Überwachung der pulsweitenmodulierten Spannung besonders im Hinblick auf die Sicherheit und Verfügbarkeit der Kraftfahrzeugbremsanlage.
-
Besonders bevorzugt umfassen die Erfassungseinrichtung/-en, Komparatoren zum Vergleich der erfassten Spannung mit einem oder mehreren Spannungsschwellwerten, wobei insbesondere zumindest zwei Erfassungseinrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Spannung insbesondere bei leitendem Treiber und bei im Wesentlichen nicht leitendem Treiber erfasst werden kann, wobei diese insbesondere zum Vergleich mit zwei vorgegebenen Spannungsschwellen, High- und Low-Pegel Spannungsschwelle, ausgebildet sind.
-
Die Komparatoren stellen eine baulich preiswerte Lösung zur Unterscheidung der zwei besonders interessanten Spannungsbereiche bei leitendem und im Wesentlichen nicht leitendem Treiber dar.
-
Ferner ist ein Schaltungsblock vorhanden, der zur Bestimmung der Pulsweite oder des Tastgrads der PWM mit einem Spannungspotential zwischen Treiber und Last verbunden ist, wobei der Schaltungsblock bevorzugt mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, welche einen Vergleich der vom PWM-Generator vorgegebenen Ist-Pulsweite oder des Ist-Tastgrades mit der Soll-Pulsweite oder dem Soll-Tastgrad vornimmt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen Vergleich der Soll- und Ist-Werte durchzuführen, wobei das Ergebnis des Vergleichs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hinsichtlich der Verfügbarkeit der Kraftfahrzeugbremsanlage ausgewertet wird. Die Verwendung des Vergleichs Soll-Ist-Wert Vergleichs zum Regeln der Spannung an der Last, ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ebenso möglich.
-
Der oder die Treiber sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in High-Side Ansteuerung geschaltet, wobei bevorzugt eine Schaltungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die Spannung auf die High-Side der Last gesteuert werden kann. Weiterhin umfasst die Schaltung besonders bevorzugt neben einem oder mehreren High-Side Treibern, die die Last(en) mit der Versorgungsspannung verbinden, auch einen oder mehrere Low-Side Treiber, wobei der oder die Low-Side Treiber von einer digitalen Einrichtung angesteuert wird/werden, wobei diese(r) bevorzugt so angesteuert wird/werden, dass diese(r) im Wesentlichen nicht leitend oder voll ausgesteuert ist/sind.
-
Der oder die High-Side Treiber dienen gemäß dieser Ausführungsform vorteilhafterweise als Haupttreiber, welcher eine weitgehend gleichzeitige Abschaltung aller Laststromkreise, umfassend die Lasten sowie Low-Side Treiber, von der Versorgungsspannung ermöglicht. Weiterhin ist es durch das, im Vergleich zum Stand der Technik, Einsparen von Freilaufdioden möglich beim Ausschalten der Treiber den Laststrom sofort zu unterbrechen und damit eine schnelle Abkommutierung der Last zu erreichen.
-
Die Erfindung betrifft auch das Ansteuerverfahren gemäß Anspruch 9.
-
Das PWM-Ansteuerverfahren zur elektrischen Ansteuerung einer oder mehrerer Lasten, insbesondere Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme, wobei gesteuert durch mindestens einen PWM-Generator eine oder mehrere mit der oder den Lasten verbundene Treiber in High-Side Ansteuerung oder Low-Side Ansteuerung derart angesteuert werden, dass die der oder den Lasten zugeführte elektrische Spannung, gesteuert oder geregelt oder begrenzt werden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerung oder Regelung oder Begrenzung ohne eine hierzu vorgenommene Messung oder Erfassung des Laststroms und/oder der Lastspannung vorgenommen wird.
-
Mit dem durchführbaren PWM-Ansteuerverfahren kann auf vorteilhafte Weise eine Strombegrenzung oder Stromreduzierung bei der Ansteuerung von Magnetventilen für Kraftfahrzeugbremssysteme durchgeführt werden, ohne dabei eine Stromerfassung vornehmen zu müssen. Das Verfahren eignet sich daher besonders zum Einsatz in Sicherheitsanwendungen insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.
-
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Ansteuerverfahrens wird an Stelle einer Laststromerfassung die Lastspannung nach Maßgabe einer Erfassung einer Versorgungsspannung, welche vorzugsweise die Versorgungsspannung des/der Laststromkreise(s) ist oder ein ähnlich versorgungsspannungsabhängiges Potential, gesteuert.
-
Dabei besteht der Vorteil, dass die Versorgungsspannung als Führungsgröße, beispielsweise im Sinne einer Vorsteuerung der PWM-Ansteuerung dient, wobei insbesondere die Spannung an KL30 (Versorgungsspannung) hierfür herangezogen wird.
-
Zur Steuerung oder Regelung oder Begrenzung der Lastspannung wird besonders bevorzugt die Spannung zwischen Treiber und Last erfasst, insbesondere in der Weise, dass die Spannung bei leitendem Treiber und/oder bei im Wesentlichen nicht leitendem Treiber herangezogen wird.
-
Vorteilhafterweise ist damit eine Sicherstellung der Treiberintegrität möglich.
-
Besonders bevorzugt wird zur Überprüfung der korrekten Funktion der Steuerung oder Regelung die Ist-Pulsweite oder der Ist-Tastgrad erfasst und insbesondere diese/dieser mit der vom PWM-Generator vorgegebenen Soll-Pulsweite oder dem Soll-Tastgrad verglichen.
-
Es besteht der Vorteil, dass durch den Vergleich von Soll- und Ist-Wert Diagnosemaßnahmen zur Überwachung der Ansteuerung und der Ansteuerschaltung und somit die Funktionssicherheit und Verfügbarkeit der Kraftfahrzeugbremsanlage realisiert werden. Für diese bevorzugte Ausführungsform muss keine Rückkopplung entsprechend einer Regelung umgesetzt werden, wobei der Ansatz einer reinen Vorsteuerung verfolgt wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Vergleich vorteilhafterweise unter Heranziehung der erfassten Spannungswerte sowie der Versorgungsspannung zur Regelung der PWM unter Verwendung einer Vorsteuerung durchgeführt werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt eine High-Side Ansteuerung des oder der Treiber(s) vor, bei der die Pulsweite oder der Tastgrad der zwischen Last und High-Side Treiber anliegenden Spannung erfasst und die Ansteuerung des oder der vorhandenen Low-Side Treiber(s) mit der erfassten Pulsweite oder dem Tastgrad synchronisiert wird. Hierdurch wird vorteilhafterweise ein definierteres Abschaltverhalten realisiert.
-
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 sowie die Verwendung des in den Ansprüchen 7 bis 10 beschriebenen PWM-Ansteuerverfahrens.
-
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der vorstehend beanspruchten elektronischen Schaltungsanordnung oder Verwendung des vorstehend genannten PWM-Ansteuerverfahrens in Sicherheitsanwendungen, insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.
-
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
-
Es zeigen
- 1 Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektronischen Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und
- 2 Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektronischen Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
-
1 zeigt einen Teil einer elektronischen Schaltungsanordnung für die PWM-Ansteuerung von digital betriebenen Magnetventilen in elektronischen Kraftfahrzeugsteuergeräten zum Steuern oder Regeln des Drucks eines Fluids, wie vorzugsweise einer Hydraulikflüssigkeit. Es handelt sich dabei insbesondere um ein Drucksteuergerät in einem Kraftfahrzeugbremssystem, wie beispielsweise eine HECU für zumindest Fahrdynamikregelungen und ähnliche Anwendungen, bei denen der Bremsdruck elektronisch mit oder ohne Beteiligung des Fahrers erzeugt oder variiert wird.
-
Gemäß der Schaltungsanordnung in 1 erzeugt PWM-Generator 3 ein PWM-Signal mit variablem Tastgrad (Pulspausenverhältnis der PWM), mit welchem Treiber 2 angesteuert wird. Beispielsgemäß ist Treiber 2 in Low-Side Ansteuerung ausgebildet, das heißt, der oder die Ansteuertransistoren 2 (z.B. FETs) sind zwischen Masse 7 und Last 1 angeordnet. Treiber 2 steuert damit den Strom durch Last 1. Last 1 ist bevorzugt eine Magnetventilspule mit zugehöriger Freilaufdiode 8.
-
Über Steuereingang 12 ist PWM-Generator 3 mit KL30 (Versorgungsspannung) verbunden. Die Spannung an KL30 wird als Führungsgröße im Sinne einer Vorsteuerung der PWM-Ansteuerung herangezogen. Es erfolgt keine Stromerfassung, so dass die PWM-Schaltung nicht als ein Stromregler aufgefasst und deshalb Spannungssteuerung bezeichnet wird.
-
Durch Komparatoren 5 und 6 wird Spannung U1 zwischen Treiber 2 und Last 1 erfasst und mit vorgegebenen Spannungsschwellwerten V-H (High-Pegel Schwellwert) und V-L (Low-Pegel Schwellwert) verglichen. Da es sich in 1 um ein Prinzipschaltbild handelt, wird auf die explizite Darstellung beispielsweise durch Bezeichnung des invertierenden und nicht invertierenden Eingangs der Komparatoren verzichtet. Die Spannung wird bei leitendem und bei im Wesentlichen nicht leitendem Treiber durch die Komparatoren erfasst. Die Ergebnisse der Vergleiche werden einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung (z.B. der Mikrocontroller einer Datenverarbeitung des Druckreglers oder einer einfachen Logik-Schaltung) zugeführt. Damit wird eine Spannungsüberwachung erzielt und die Treiberintegrität kann somit sichergestellt werden.
-
Schaltungsblock 4 erfasst wie Komparatoren 5 und 6 Spannung U1 zwischen Treiber 2 und Last 1. Daraus wird in Schaltungsblock 4 der Tastgrad und/oder die An-Zeit (Pulsweite) und/oder die Aus-Zeit der PWM-Ansteuerung bestimmt. Auf diese Weise wird die durch den PWM-Generator erzeugte PWM (Tastgrad, Pulsweite etc.) zurückgelesen und kann durch eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung verarbeitet werden. Beispielsweise ermöglicht der Vergleich der vom PWM-Generator vorgegebenen Ist-Pulsweite oder des Ist-Tastgrades mit der Soll-Pulsweite oder dem Soll-Tastgrad, Diagnosemaßnahmen hinsichtlich einer korrekten Funktion der PWM-Schaltung und PWM-Ansteuerung durchzuführen. Hierzu muss der Auswerteeinrichtung die Information der PWM-Sollgröße und/oder des Vorsteuersignals, insbesondere der Versorgungsspannung zugeführt werden.
-
2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektronischen Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Diese Schaltungsanordnung weist einige mit der in 1 dargestellten Prinzipschaltung übereinstimmende Schaltungsteile auf. Diese sind entsprechend durch übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnet, wobei sich deren Beschreibung und Wirkungsweise aus den betreffenden Beschreibungsteilen der übereinstimmenden Bezugszeichen im Zusammenhang mit 1 ergeben.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 erfolgt eine PWM-Ansteuerung mehrerer Lasten 1, 1' und 1'' in unterschiedlichen, parallel ausgeführten Laststromkreisen. Der durch den PWM-Generator 3 angesteuerte Treiber 2' wird gegenüber den Lasten und im Unterschied zu Treiber 2 in 1 in High-Side Ansteuerung betrieben.
-
Die aus der Beschreibung zu 1 bekannte Vorsteuerung mittels der Versorgungsspannung über Steuereingang 12, die Spannungsermittlung sowie der Vergleich mit Spannungsschwellwerten unter Verwendung der Komparatoren 5 und 6 und die Erfassung der Pulsweiten und/oder des Tastgrades der Pulsweitenmodulation durch Schaltungsblock 4 gilt auch für die in der in 2 dargestellte High-Side Ausführungsform. Wie in 1 erfolgt die Erfassung der Spannung für die Schaltungsteile 4, 5 und 6 in der elektrischen Verbindung zwischen Treiber 2' und den Lasten 1, 1', 1'' oder Laststromkreisen.
-
Den Lasten 1, 1' und 1'' sind in den jeweiligen Laststromkreisen, die in Low-Side Ansteuerung ausgeführten Treiber 9, 9" und 9'' zugeordnet, die durch den digitalen Spannungsregler 10 gesperrt oder voll ausgesteuert (an/aus), angesteuert werden. Treiber 2' erhält durch die Anordnung im alleinigen Zuleitungspfad zu den separaten Laststromkreisen die Funktion als Haupt-Treiber, welcher bei entsprechender Ansteuerung eine Maßnahme zur Abschaltung aller Laststromkreise zum gleichen Zeitpunkt ermöglicht.
-
Zwischen PWM-Generator 3 und dem digitalen Spannungsregler 10 ist eine direkte oder indirekte elektrische Verbindung 11, beispielsweise über eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, vorgesehen. Über diese Verbindung 11 erfolgt eine Synchronisation der PWM-Ansteuerung von Treiber 2' mit der Ansteuerung der Low-Side Treiber 9, 9" und 9", wodurch ein definierteres Abschaltverhalten ermöglicht wird.
-
Mit der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung in 1 und 2 bzw. dem damit durchführbaren PWM-Ansteuerverfahren kann auf vorteilhafte Weise eine Spannungsbegrenzung oder Stromreduzierung bei der Ansteuerung von digitalen Magnetventilen für ein Kraftfahrzeugbremssystem durchgeführt werden. Im Vergleich zum Stand der Technik entfallen somit Bauelemente, welche für eine Stromerfassung und -regelung notwendig wären, womit die Gesamtkosten gesenkt werden. Die genannte elektronische Schaltungsanordnung beziehungsweise das genannte PWM-Ansteuerverfahren eignet sich daher besonders zum Einsatz in Sicherheitsanwendungen insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.
