DE102013103387A1

DE102013103387A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102013103387A1
Application number: DE201310103387
Authority: DE
Inventors: Oliver Lehner; Melanie Lehner; Dietmar Mierowski; Thomas Diekert; Mihai Postaru
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Spule (1) eines Magnetventils, wobei abhängig von einem Sollstrom (I_soll) durch die Spule, einer Versorgungsspannung (Uv) und der Umgebungstemperatur in einem Mikrokontroller (µC) ein PWM-Soll-Signal (PWM_soll) mit einem Soll- Tastverhältnis (TV_soll) bestimmt wird, das an den Eingang (IN) eines an der Versorgungsspannung (Uv) anliegenden MOSFET-Endstufentreibers (2) angelegt wird und am Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) ein PWM-Ist-Signal (PWM_out) mit dem Ist-Tastverhältnis (TV_out) anliegt, wodurch in der am Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) anliegenden Spule (1) ein Strom (I_spule) eingestellt wird, wobei aus dem PWM-Ist-Signal (PWM_out) ein korrigiertes PWM-Signals (PWM_korr) ermittelt wird, und das Soll-Tastverhältnisses (TV_soll) mittels eines Reglers verändert wird, bis das korrigierte PWM-Signal (PWM_korr) mit dem PWM-Soll-Signal (PWM_soll) übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Spule eines Magnetventils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. In Hydrauliksystemen von Kraftfahrzeugen werden Magnetventile zur Steuerung oder Regelung des Ölstroms oder -drucks zu hydraulischen Elementen wie Aktuatoren zum Einlegen von Gängen, Betätigen von Kupplungen und Bremsen oder anderen beweglichen Elementen wie z.B. der Parksperre verwendet. Die Magnetventile existieren in den unterschiedlichen Bauformen und mit unterschiedlichen Charakteristiken, allen gemein ist jedoch, dass über einen eingestellten elektrischen Strom in der Spule des Magnetventils ein magnetisches Feld induziert wird, das wiederum einen Anker in seiner Position bewegt und damit einen Ölstrom dosiert freigibt bzw. sperrt.
Der Strom wird durch einen Mikrokontroller geregelt, wobei dieser ein Ansteuersignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis an den Eingang eines MOSFET eines Endstufentreibers ausgibt, mit dessen Hilfe eine Versorgungsspannung getaktet an die Spule des Magnetventils gegeben wird. Um den Strom zur Spule hinreichend genau einstellen zu können, wird dieser in der Regel über einen Shunt-Widerstand am Ausgang der Spule zurückgemessen. Im Mikrokontroller wird aus dem zurückgemessenen Strom und dem Sollstrom eine Differenz gebildet und das Ansteuersignal für den MOSFET mit Hilfe eines Reglers, insbesondere eines PI- oder PID-Reglers, entsprechend angepasst.
Die EP 0 837 479 A2 beschreibt eine elektrische Schaltung zum Anlegen eines oszillierenden elektrischen Stromes an eine Spule eines Elektromagneten, durch die der Elektromagnet in Abhängigkeit von Eingangs- oder Führungssignalen ansteuerbar ist.
Die Elektromagnettreiberschaltung steuert den an das eine Ende der Spule eines elektromagnetisch betätigten Getriebesteuerventils angelegten Strom in Abhängigkeit eines analogen Spannungsführungssignals, welches von dem PWM-Ausgang eines Mikroprozessors erzeugt wird.
Das andere Ende der Spule steht über einen Strommesswiderstand mit Masse in Verbindung. Die Spannung über dem Strommesswiderstand ist proportional zu dem durch die Spule fließenden Strom. Die Spannung wird verstärkt und hochfrequentes Rauschen dieser Spannung wird durch eine Filterschaltung herausgefiltert. Diese Spannung wird einem analogen Eingang des Mikroprozessors zugeführt. Dieses Regelverfahren ist zwar sehr genau, jedoch aufwändig und durch die für die Rückmessung benötigten zusätzlichen Bauteile auch kostspielig.
Wären alle Bauteile der Anordnung zum Ansteuern des Magnetventils ideal, d.h. gäbe es keine Bauteiltoleranzen und keine Abhängigkeiten der Bauteile von Umgebungsbedingungen, könnte man einfacherweise ein Kennfeld erstellen, bei dem abhängig von Sollstrom und Versorgungsspannung im Mikrokontroller ein Tastverhältnis ermittelt wird, mit dem der MOSFET-Endstufentreiber getaktet wird, um über das Magnetventil eine definierte Spannung und damit einen definierten Strom einzustellen. Dies wäre eine reine Steuerung.
Darüber hinaus wäre auch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Spule des Magnetventils noch mit einer Steuerung beherrschbar, da diese im Arbeitsbereich weitgehend linear ist. Daraus ergäbe sich dann ein Kennfeld über Sollstrom, Versorgungsspannung und Temperatur. Beispielsweise wird in der DE 198 59 281 A1 beschrieben, wie der Ventilspulenwiderstand insbesondere aus der gemessenen Versorgungsspannung und dem Ist-Tastverhältnis des Signals am Ausgang des MOSFET der Ventilansteuerung ermittelbar ist.
Schwieriger wird es mit der Abhängigkeit der restlichen Bauteile, beispielsweise dem Endstufen-MOSFET oder der Freilaufdiode zwischen MOSFET und Erde, von den Umgebungsbedingungen und der Bauteilestreuung. Insbesondere sind die unterschiedlichen Schaltzeiten der Endstufenbausteine, bedingt durch Temperaturabhängigkeit und Bauteilestreuung, ein Problem. Daher wird zur exakten Stromsteuerung vorzugsweise der Strom durch das Ventil über einen Shunt-Widerstand zurückgemessen und, wie oben beschrieben, mittels eines Reglers, dessen Stellgröße das Tastverhältnis zum Schalten des Endstufentreibers ist, der Sollstrom im Ventil eingestellt.
Die Bauteile zur Stromrückmessung in einem solchen Verfahren, wie Shunt-Widerstand, Operationsverstärker und Filter, sind aber Kostentreiber.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein einfaches, kostengünstiges und mit annehmbaren Fehlern behaftetes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ansteuerung einer Spule eines Magnetventils zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass bei gleichen Umgebungsbedingungen wie Versorgungsspannung und Temperatur und identischen Bauteilspezifikationen ein identisches Ansteuersignal am MOSFET-Endstufentreiber idealerweise auch einen identischen Strom durch das Ventil bewirkt.
Abweichungen von diesem erwarteten Strom entstehen durch

– Unterschiedliche Versorgungsspannungen,
– Unterschiedliche Betriebstemperaturen, insbesondere des Endstufen-MOSFET, der Freilaufdiode und des Ventils, speziell der Spule,
– Bauteilstreuungen bzw. Chargenschwankungen

In einem Mikrokontroller wird insbesondere in Abhängigkeit von einem Sollstrom durch die Spule des Magnetventils, einer Versorgungsspannung und einer Umgebungstemperatur ein PWM-Soll-Signal mit einem Soll-Tastverhältnis aus einem ersten Kennfeld ermittelt.
Das PWM-Soll-Signal wird an den Eingang eines an der Versorgungsspannung anliegenden MOSFET-Endstufentreibers angelegt, so dass am Ausgang des MOSFET-Endstufentreibers ein PWM-Ist-Signal mit dem Ist-Tastverhältnis anliegt, wobei das PWM-Ist-Signal aus den bereits genannten Gründen in der Regel vom PWM-Soll-Signal aus dem ersten Kennfeld abweicht.
Das PWM-Ist-Signal wird über den PWM-Eingang des Mikrokontrollers eingelesen und folgendermaßen korrigiert.
Die Versorgungsspannung wird insbesondere über den AD-Wandler-Eingang des Mikrokontrollers eingelesen.
Die Temperatur der elektrischen Schaltung, die vor allem bei einem Vorortsteuergerät, das sich zum Beispiel im Ölsumpf eines Getriebes befinden kann und damit Temperaurschwankungen in einem großen Bereich unterworfen ist, wird insbesondere mit Hilfe eines Ölemperatursensors gemessen und ebenfalls über den AD-Wandler-Eingang des Mikrokontrollers eingelesen.
Die Temperatur des Ventils und somit der Spule wird vorzugsweise mit Hilfe eines Temperaturmodells, bei dem insbesondere die Umgebungs- bzw. Öltemperatur sowie der Ventilstrom bzw. die Verlustleistung der Spule eingeht, geschätzt. Da die Magnetventile im allgemeinen eine Kupferspule umfassen, ist die Abhängigkeit des Spulenstroms von der Versorgungsspannung und der Temperatur insbesondere aus dem Datenblatt bekannt. Darüber hinaus ist dabei der Einfluss von Chargenschwankungen relativ gering und somit vernachlässigbar.
Anschließend wird aus dem PWM-Ist-Signal unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung und der Temperatur des Steuergeräts ein korrigiertes PWM-Signal bestimmt. Diese Korrektur dient lediglich dazu, spannungs- und temperaturabhängige Messfehler zu eliminieren. Diese Korrektur kann dadurch erfolgen, dass das erste Kennfeld bereits entsprechend korrigierte Werte enthält. Die Korrektur kann aber auch mittels eines separaten, zweiten Kennfelds erfolgen.
Dieses korrigierte PWM-Signal wird nun mit dem PWM-Soll-Signal verglichen, und das Soll-Tastverhältnis so lange verändert, bis das korrigierte PWM-Signal mit dem PWM-Soll-Signal übereinstimmt.
Diese Anpassung geschieht vorzugsweise mittels eines PI- oder PID-Reglers
Die Erfindung verzichtet auf die aufwändige Stromrückmessung und damit auf die dafür erforderlichen elektronischen Komponenten und misst das Ansteuer-PWM-Signal zum Ventil am Ausgang des MOSFET im Mikrokontroller zurück. Auf Grund dieser Information und basierend auf der Kenntnis der Versorgungsspannung und der Temperatur der Spule wird das PWM-Soll-Signal zur Ansteuerung des MOSFET mit ausreichender Genauigkeit eingeregelt.
Dadurch können insbesondere die durch die Tempeaturabhängigkeit der Halbleiter verursachten Stromänderungen in der Regelstrecke ausgeregelt werden, während die notwendigen Änderungen des Stroms basierend auf der Änderung der Versorgungsspannung und der Temperatur der Spule gesteuert bzw. korrigiert werden.
Durch die Erfindung ist eine wesentlich einfachere und günstigere Schaltung realisierbar bei vertretbaren Verlusten der Genauigkeit des Stroms durch die Spule bzw. im Vergleich zur reinen Steuerung kann die Genauigkeit erheblich gesteigert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung einer Spule eines Magnetventils.
In einem Mikrokontroller µC wird insbesondere in Abhängigkeit von einem einzustellenden Sollstrom I_soll durch die Spule 1 eines nicht gezeigten Magnetventils, einer Versorgungsspannung Uv und der Umgebungstemperatur ein PWM-Soll-Signal PWM_soll mit einem Soll-Tastverhältnis TV_soll aus einem ersten Kennfeld K1 ermittelt und über den PWM-Ausgang 3 des Mikrokontrollers µC an den Eingang IN eines MOSFET-Endstufentreiber 2 angelegt. Der MOSFET-Endstufentreiber 2 ist mit der Versorgungsspannung Uv verbunden.
Am Ausgang OUT des MOSFET-Endstufentreiber 2 liegt ein PWM-Ist-Signal PWM_out mit dem Ist-Tastverhältnis TV_out an. Der Ausgang OUT ist mit einem Ende mit der Spule 1 und über eine Freilaufdiode D1 mit Masse GND verbunden.
Das PWM-Ist-Signal PWM_out mit dem Ist-Tastverhältnis TV_out weicht vor allem auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Halbleiterbausteine, insbesondere des MOSFET-Endstufentreiber 2 und der Bauteilestreuung vom PWM-Soll-Signal PWM_soll aus dem Kennfeld K1 ab.
Daher wird insbesondere das PWM-Ist-Signal PWM_out über den PWM-Eingang 4 des Mikrokontrollers µC eingelesen und in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung Uv und der Temperatur der Spule 1 korrigiert, und zwar ohne die ansonsten übliche und vor allem aufwändige Rückmessung des tatsächlichen Spulenstroms I_spule.
Dazu wir zunächst die Versorgungsspannung Uv insbesondere über den AD-Wandler-Eingang 5 des Mikrokontrollers des µC eingelesen.
Das PWM-Ist-Signal PWM_out mit dem Ist-Tastverhältnis TV_out wird am PWM-Eingang 4 des Mikrokontrollers µC eingelesen.
Zur Bestimmung der Temperatur der Spule 1 wird zuerst die Umgebungstemperatur gemessen. Da die elektrische Schaltung, die insbesondere ein Teil eines Steuergeräts ist und im Falle eines Getriebevorortsteuergeräts von Getriebeöl umspült wird, wird die Umgebungstemperatur im wesentlichen von der Öltempeatur beeinflusst mit Hilfe eines Öltemperatursensors 7 gemessen. Dieser Wert wird ebenfalls über den AD-Wandler-Eingang 5 des Mikrokontrollers µC eingelesen.
Die Temperatur der Spule 1 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Temperaturmodells TM, bei dem insbesondere die Umgebungstemperatur bzw. die Öltemperatur sowie die durch den Strom durch die Spule 1 verursachte Temperaturänderung eingeht, abgeschätzt.
Da die Magnetventile im allgemeinen eine Kupferspule umfassen, ist insbesondere der Zusammenhang zwischen dem Strom durch die Spule 1, der Versorgungsspannung Uv und damit dem Spulenwiderstand und der Temperatur der Spule aus dem Datenblatt des Magnetventils bekannt.
Anschließend wird aus dem PWM-Ist-Signal PWM_out mit dem Ist-Tastverhältnis TV_out unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung Uv und der abgeschätzten Temperatur der Spule 1 ein korrigiertes PWM-Signal PWM_korr bestimmt.
Diese Korrektur dient lediglich dazu, spannungs- und temperaturabhängige Messfehler zu eliminieren. Diese Korrektur kann dadurch erfolgen, dass das erste Kennfeld bereits entsprechend korrigierte Werte enthält. Die Korrektur kann aber auch mittels eines separaten, zweiten Kennfelds erfolgen
Dieses korrigierte PWM-Signal PWM_korr wird nun in einem Regler 6, insbesondere einem PI- oer PID-Regler, mit dem PWM-Soll-Signal PWM_soll verglichen, und das Soll-Tast-Verhältnis TV_soll so lange verändert, bis das korrigierte PWM-Signal PWM_korr mit dem PWM-Soll-Signal PWM_soll übereinstimmt.
Mit Hilfe der Erfindung kann auf eine aufwändige und kostspielige Rückmessung des Stroms durch die Spule zugunsten einer sehr günstig realisierbaren Rückmessung des Tastverhältnisses nach dem MOSFET-Endstufenbaustein verzichtet werden.
Die verbleibende Ungenauigkeit aufgrund der Bauteilestreuung des Ventils ist hinnehmbar.
Bezugszeichenliste

1: Spule
2: MOSFET-Endstufentreiber
3: PWM-Ausgang
4: PWM-Eingang
5: AD-Wandler
6: PI(D)-Regler
7: Öltemperatursensor
µC: Mikrokontroller
D: Diode
GND: Masse
I_soll: Sollstrom
I_spule: Strom durch Spule
IN: Eingang am MOSFET
K1, K2: Kennfeld
OUT: Ausgang des MOSFET
PWM_out: PWM-Ist-Signal
PWM_soll: PWM-Soll-Signal
TM: Temperaturmodell
TV_out: Ist-Tastverhältnis
TV_soll: Soll-Tastverhältnis
Uv: Versorgungsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0837479 A2 [0003]
DE 19859281 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Spule (1) eines Magnetventils, wobei abhängig von einem Sollstrom (I_soll) durch die Spule (1), einer Versorgungsspannung (Uv) und der Umgebungstemperatur in einem Mikrokontroller (µC) ein PWM-Soll-Signal (PWM_soll) mit einem Soll-Tastverhältnis (TV_soll) bestimmt wird, das an den Eingang (IN) eines an der Versorgungsspannung (Uv) anliegenden MOSFET-Endstufentreibers (2) angelegt wird und am Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) ein PWM-Ist-Signal (PWM_out) mit dem Ist-Tastverhältnis (TV_out) anliegt, wodurch in der am Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) anliegenden Spule (1) ein Strom (I_spule) eingestellt wird, mit den folgenden Schritten, die im Mikrokontroller (µC) ausgeführt werden: a) bestimmen des PWM-Soll-Signals (PWM_soll) mit einem Soll-Tastverhältnis (TV_soll) aus einem ersten Kennfeld (K1), b) messen der Versorgungsspannung (Uv), c) messen der Umgebungstemperatur des Magnetventils, d) bestimmen der Temperatur der Spule (1) mittels eines Temperaturmodells (TM), e) einlesen des vom Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) ausgegebenen PWM-Ist-Signals (PWM_out) mit dem entsprechenden Ist-Tastverhältnis (TV_out), f) bestimmen aus dem PWM-Ist-Signal (PWM_out) eines in Abhängigkeit der in Schritt b) bestimmten Versorgungsspannung (Uv) und der in Schritt d) bestimmten Temperatur der Spule (1) korrigierten PWM-Signals (PWM_korr), g) Verändern des Soll-Tastverhältnisses (TV_soll) mittels eines Reglers (6) bis das korrigierte PWM-Signal (PWM_korr) mit dem PWM-Soll-Signal (PWM_soll) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des korrigierten PWM-Signals (PWM_korr) in Schritt f) mittels des ersten Kennfelds (K1) oder mittels eines separaten, zweiten Kennfelds (K2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Temperatur der Spule (1) mittels des Temperaturmodells (TM) im wesentlichen die Umgebungstemperatur sowie die durch den Spulenstrom (I_spule) verursachte Temperaturänderung eingeht.
Elektrische Schaltung zur Ansteuerung einer Spule (1) eines Magnetventils mit einem – Mikrokontroller (µC) zum Erzeugen eines PWM-Soll-Signals (PWM_soll) mit einem Soll-Tastverhältnis (TV_soll) zur Ansteuerung der Spule (1), und – einem MOSFET-Endstufentreiber (2) mit einem Eingang (IN), an dem das PWM-Soll-Signal (PWM_soll) anliegt und einem Ausgang (OUT), an dem ein PWM-Ist-Signal (PWM_out) mit dem Ist-Tastverhältnis (TV_out) zum Ansteuerung der Spule (1) anliegt, wobei der MOSFET-Endstufentreiber (2) mit einer Versorgungsspannung (Uv) verbunden ist, und wobei der Mikrokontroller (µC) umfasst: – Mittel zur Bestimmung des PWM-Soll-Signals (PWM_soll) mit einem Soll-Tastverhältnis (TV_soll) aus einem ersten Kennfeld (K1), – Mittel (5) zur Messung der Versorgungsspannung (Uv), – Mittel (TM) zur Bestimmung der Temperatur der Spule (1), – Mittel (4) zum Einlesen des vom Ausgang (OUT) des MOSFET-Endstufentreibers (2) ausgegebenen PWM-Ist-Signals (PWM_out) mit einem entsprechenden Ist-Tastverhältnis (TV_out), – Mittel zur Bestimmung eines korrigierten PWM-Signals (PWM_korr) aus dem PWM-Ist-Signal (PWM_out) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (Uv) und der Temperatur der Spule (1), und – Mittel (6) zum Verändern des Soll-Tastverhältnisses (TV_soll) bis das korrigierte PWM-Signal (PWM_korr) mit dem PWM-Soll-Signal (PWM_soll) übereinstimmt.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verändern des Soll-Tastverhältnisses (TV_soll) ein PI- oder ein PID-Regler (6) ist.