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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Treiberschaltungen zum Ansteuern elektromagnetischer Aktuatoren, insbesondere zum Ansteuern elektromagnetischer Ventile (Solenoidventile).
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Eine wichtige Anwendung für elektromagnetische Aktuatoren sind Kraftstoffeinspritzsysteme für Verbrennungskraftmaschinen, bei denen die Magnetventile als Magnet-Kraftstoffinjektoren verwendet werden. Im Allgemeinen weist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem eine Motorsteuereinheit (engine control unit, ECU) auf, die einen dedizierten Mikrocontroller verwendet, um den genauen Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und die Menge des zugeführten Kraftstoffs zu ermitteln. Allerdings versorgt ein Mikrocontroller die Magnet-Kraftstoffinjektoren nicht direkt mit dem erforderlichen Strom, sondern sendet stattdessen Befehle an eine separate Treibereinheit, die dafür konfiguriert ist, die erforderlichen Treibersignale für Leistungsstufen (z.B. MOSFETs) zu erzeugen, die die Magnet-Kraftstoffinjektoren betätigen. Die Treibereinheit kann dafür konfiguriert sein, Rückmeldungssignale (Feedback-Signale) zu erhalten (z.B. zu messen), die in dem Elektromagneten oder in der Leistungsstufe vorhanden sind. Ein solches Rückmeldungssignal ist zum Beispiel der tatsächliche Strom, der während des Betriebs des Injektors durch den Elektromagneten fließt. Bei anderen Rückmeldungssignalen kann es sich um interne Signale der Leistungsstufe (z.B. die Drain-Source-Spannung eines MOSFET) oder der Treibereinheit handeln. Da die Zeitsteuerungsanforderungen für die Kraftstoffeinspritzung bei modernen Einspritzsystemen relativ eng sind, muss der Datenaustausch zwischen dem Mikrocontroller und der Treibereinheit strikte Echtzeit-Randbedingungen einhalten. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treibereinheit und auch ein entsprechendes Verfahren zum Ansteuern einer Vielzahl induktiver Aktuatoren bereitzustellen, die/das in der Lage ist, die erwähnten Echtzeit-Randbedingungen einzuhalten. Diese Aufgabe wird durch die Treibereinheit nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 12 und auch durch die Motorsteuereinheit nach Anspruch 22 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und weitere Entwicklungen werden durch die abhängigen Ansprüche abgedeckt.
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Gemäß einem Beispiel wird hier eine Treibereinheit zum Ansteuern einer Vielzahl induktiver Aktuatoren beschrieben. Die Treibereinheit weist einen Taktanschluss auf, der dazu ausgebildet ist, ein externes Taktsignal zu empfangen, das von einer externen Steuereinheit verwendet wird, die sich außerhalb der Treibereinheit befindet. Eine serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, mit der externen Steuereinheit über einen seriellen Bus Daten auszutauschen. Die serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, Auslösebefehle zu übermitteln, die mit dem externen Taktsignal synchronisiert sind. Die Auslösebefehle zeigen mindestens einer aus einer Vielzahl programmierbarer Steuerschaltungen (programmable control circuits, PCU) an, als Reaktion auf die mit dem externen Taktsignal synchronisierten Auslösebefehle Treibersignale für die Vielzahl induktiver Aktuatoren zu erzeugen. Die serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, außerdem Daten zu übermitteln, die mindestens einer aus der Vielzahl von PCU zugeordnet und mit dem externen Taktsignal synchronisiert sind. Die Daten werden von der mindestens einen aus der Vielzahl von PCU verwendet, um als Reaktion auf die Auslösebefehle die Treibersignale zu erzeugen.
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Gemäß einem zweiten Beispiel wird ein Verfahren zum Treiben einer Vielzahl induktiver Aktuatoren beschrieben. Das Verfahren beinhaltet ein Empfangen eines externen Taktsignals, das von einer externen Steuereinheit verwendet wird. Auslösebefehle werden in Synchronisation mit dem externen Taktsignal von der externen Steuereinheit in einer Vielzahl programmierbarer Steuerschaltungen (PCU) empfangen. Diese PCU sind jeweils einem aus der Vielzahl induktiver Aktuatoren zugeordnet. Treibersignale für die Vielzahl induktiver Aktuatoren werden als Reaktion auf die empfangenen Auslösebefehle und unter Verwendung der Vielzahl von PCU erzeugt, wobei die Treibersignale mit dem externen Taktsignal synchronisiert werden. Daten, die mindestens einer aus der Vielzahl von PCU zugeordnet und mit dem externen Taktsignal synchronisiert sind, werden empfangen. Die Daten werden von der mindestens einen aus der Vielzahl von PCU verwendet, um als Reaktion auf die Auslösebefehle die Treibersignale zu erzeugen.
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Gemäß einem dritten Beispiel wird hier eine Motorsteuereinheit beschrieben. Die Motorsteuereinheit weist eine Mikrocontrollereinheit (micro controller unit, MCU) und eine Treibereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl induktiver Aktuatoren zu treiben. Die Treibereinheit weist einen Taktanschluss auf, der dazu ausgebildet ist, ein externes Taktsignal zu empfangen, das von einer externen Steuereinheit verwendet wird, die sich außerhalb der Treibereinheit befindet. Eine serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, mit der externen Steuereinheit über einen seriellen Bus Daten auszutauschen. Die serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, Auslösebefehle zu übermitteln, die mit dem externen Taktsignal synchronisiert sind. Die Auslösebefehle zeigen mindestens einer aus einer Vielzahl programmierbarer Steuerschaltungen (PCU) an, als Reaktion auf die mit dem externen Taktsignal synchronisierten Auslösebefehle Treibersignale für die Vielzahl induktiver Aktuatoren zu erzeugen. Die serielle Busschnittstelle ist dazu ausgebildet, außerdem Daten zu übermitteln, die mindestens einer aus der Vielzahl von PCU zugeordnet und mit dem externen Taktsignal synchronisiert sind. Die Daten werden von der mindestens einen aus der Vielzahl von PCU verwendet, um als Reaktion auf die Auslösebefehle die Treibersignale zu erzeugen.
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Die verschiedenen Ausführungsformen sind mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beschreibungen besser verständlich. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen wird die Betonung auf ein Veranschaulichen der Grundgedanken der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen übereinstimmende Teile. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Beispiel einer Motorsteuereinheit mit einer Mikrocontrollereinheit, die zum Treiben von Magnet-Kraftstoffinjektoren gemäß einem oder mehreren Aspekten dieser Offenbarung mit einer Treibereinheit gekoppelt ist;
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2 ein Beispiel für eine Leistungsstufe zum Treiben eines Magnetventils, übereinstimmend mit einem oder mehreren Aspekten dieser Offenbarung;
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3 ein Zeitdiagramm, das eine oder mehrere zeitliche Beziehungen zeigt, die mit der in 3 veranschaulichten beispielhaften Leistungsstufe in Zusammenhang stehen, und
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4 einen Ablaufplan, der ein beispielhaftes Verfahren zum Treiben induktiver Aktuatoren gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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Die folgende Beschreibung bezieht sich allgemein auf ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Verwendung mit internen Verbrennungsmotoren. Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme weisen eine Vielzahl von Magnetinjektoren auf. Die nachfolgende Beschreibung betrifft insbesondere eine Treibereinheit zum Steuern des Betriebs der Magnetinjektoren. Solche Treibereinheiten können allerdings auch bei anderen induktiven Aktuatoren (wie beispielsweise hydraulischen Ventilen) und nicht nur bei Magnetinjektoren für Verbrennungsmotoren angewendet werden. Daher sollte die vorliegende Beschreibung nicht als auf Treibereinheiten für Magnet-Kraftstoffinjektoren beschränkt angesehen werden.
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Gemäß einem oder mehreren Aspekten dieser Offenbarung ist eine Treibereinheit, die eine Vielzahl induktiver Aktuatoren treibt, dafür konfiguriert, mit einer externen Steuervorrichtung in Synchronisation mit einem Taktsignal Daten auszutauschen, das von der externen Steuervorrichtung verwendet oder erzeugt wird. Die externe Steuervorrichtung kann eine Mikrocontrollereinheit (MCU) und auch einen Oszillator umfassen, der in die MCU integriert oder mit ihr verbunden sein kann. Gemäß den hier beschriebenen Synchronisationstechniken kann eine Funktionalität der Treibereinheit verbessert und/oder eine Realisierung der Treibereinheit und der externen Steuervorrichtung können vereinfacht werden, Zum Beispiel kann ein Verwenden dieser Techniken einen seriellen Echtzeit-Austausch zwischen der externen Steuervorrichtung und der Treibereinheit sowohl von Auslösebefehlen als auch von Daten ermöglichen, die mit dem Ausführen der Auslösebefehle in Zusammenhang stehen, ohne die Notwendigkeit einer analogen und/oder parallelen Datenübertragungsschnittstelle zwischen der externen Steuervorrichtung und der Treibereinheit. Als noch ein weiteres Beispiel können diese Techniken ermöglichen, dass eine Realisierung der Treibereinheit und/oder der externen Steuervorrichtung einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger als andere Realisierungen sein kann.
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1 veranschaulicht einige wichtige Komponenten eines Systems zum Steuern des Betriebs induktiver Aktuatoren, insbesondere eines Systems zum Steuern des Betriebs einer Vielzahl von Magnetventilen wie sie in Kraftstoffinjektoren verwendet werden. Der Betrieb der Magnetventile (in 1 als La und Lb bezeichnet) wird durch eine Steuereinheit gesteuert, die in dem Zusammenhang eines Kraftstoffeinspritzsystems als Mikrocontrollereinheit 10 (MCU) bezeichnet werden kann. Der Betrieb der Magnetventile La und Lb wird von einer Treibereinheit 20 gesteuert, die dafür konfiguriert ist, Treibersignale SDa, SDb zu erzeugen, die den Magnetventilen La, Lb direkt oder indirekt über eine Leistungsstufe zuzuführen sind, die einen oder mehrere Leistungstransistoren (z.B. MOSFETs) aufweisen kann. Die Treibereinheit 20 kann dafür konfiguriert sein, Signale (die z.B. eine Messung eines Stroms durch Magnetventile anzeigen) zu überwachen (d.h. zu erfassen und zu verarbeiten), die einen physischen Zustand der Aktuatoren (d.h. der Magnetventile) oder einen Zustand der entsprechenden Leistungsstufen darstellen, und Informationen, die den physischen Zustand der Aktuatoren und der Leistungsstufen betreffen, an die MCU 10 zurückzumelden. Zusätzlich oder alternativ können diese Informationen in der Treibereinheit 20 verwendet werden, z.B. zum Regeln des Magnetstroms.
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Sowohl die MCU 10 als auch die Treibereinheit 20 können Teil einer Motorsteuereinheit 1 (ECU) sein, die im Allgemeinen den Betrieb eines Verbrennungsmotors steuert. Die MCU 10 und die Treibereinheit 20 können jeweils in separate Chips und/oder Packages integriert und auf einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) montiert oder in dasselbe Halbleiter-Package integriert sein. Die ECU 1 kann außerdem eine Busschnittstelle 30 (z.B. eine Controller-Area-Network-Schnittstelle (CAN-Schnittstelle), eine sogenannte „Single-ended-Nibble-Transmission“-Schnittstelle (SENT-Schnittstelle) oder eine beliebige andere Datenübertragungsschnittstelle) zum Datenaustausch mit anderen elektronischen Steuereinheiten 2 aufweisen, die ein oder mehrere Signale liefern können, die einen Zustand einer oder mehrerer Komponenten eines Kraftwagens (z.B. Gaspedalposition, Kurbelwellenwinkel usw.) anzeigen. Bei einigen Beispielen kann die Busschnittstelle 30 zusammen mit der MCU 10 in einer integrierten Schaltung vorliegen und/oder in demselben Package wie die MCU 10 untergebracht sein. Bei anderen Beispielen kann die Busschnittstelle 2 in einem separaten Chip-Package auf derselben Leiterplatte (PCB) wie die MCU 10 und die Treiberschaltung 20 montiert sein, wobei die PCB einen Teil der erwähnten ECU 1 bildet.
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Die MCU 10 und die Treibereinheit 20 sind über einen seriellen Bus gekoppelt, der z.B. einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 ermöglicht. Zusätzlich kann die MCU 10 (digital) weitere Eingabeinformationen empfangen wie zum Beispiel (in dem Zusammenhang eines internen Verbrennungsmotors) den Kurbelwellenwinkel, die Gaspedalposition sowie verschiedene andere Informationen, die von externen Komponenten geliefert werden, z.B. über eine CAN- oder SENT-Schnittstelle, die eine asynchrone unidirektionale Datenübertragung ermöglicht. Allerdings können anstelle mithilfe von CAN oder SENT die externen Informationen auch über andere Signalwege der MCU 10 zugeführt werden.
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Gemäß dem vorliegenden Beispiel der Erfindung ist die MCU mit einem Oszillator XTAL (z.B. einem Quarzoszillator gekoppelt), der ein Taktsignal CLK erzeugt. Der Oszillator kann jedoch in die MCU 10 integriert sein. Die in der MCU 10 oder in der Treibereinheit 20 ausgeführte Signalverarbeitung, z.B. die Verarbeitung der vorstehend erwähnten Eingabeinformationen, kann synchron mit dem Taktsignal CLK ausgeführt werden. Dementsprechend wird die serielle Datenübertragung zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 als eine getaktete Datenübertragung realisiert, die mit dem Taktsignal CLK synchron ist. Daher kann der Oszillator XTAL als Teil der Schnittstelle der MCU 10 angesehen werden, die die serielle Datenübertragung zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 ermöglicht. Bei dem vorliegenden Beispiel arbeitet die MCU 10 als Bus-Master, der den Datenaustausch steuert, und die MCU 10 überträgt Daten zu der Treibereinheit 20 über eine als MOSI (kurz für „master out/slave in“) bezeichnete erste Busleitung und empfängt Daten von der Treibereinheit 20 über eine zweite als MISO (kurz für „master in/slave out“) bezeichnete Busleitung. Das optionale Chip-Auswahlsignal (chip select signal) CS wird benötigt, wenn mehr als ein Bus-Slave mit dem seriellen Bus verbunden ist. Das CS-Signal ermöglicht es der MCU, die Busschnittstelle zu adressieren. Zum Beispiel kann die MCU die Busschnittstelle der Treibereinheit 20 (die bei dem vorliegenden Beispiel als ein Bus-Slave dient) adressieren. Die Fähigkeit der Treibereinheit 20, den Betrieb der Elektromagneten La, Lb und/oder der Treibereinheit 20 betreffende Rückmeldungsinformationen zurück an die MCU 10 zu senden, ermöglicht es der MCU 10, einen Regelkreis zu realisieren. Bei einigen Beispielen kann eine bidirektionale serielle Datenübertragung zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 für die Rückmeldung von Informationen von der Treibereinheit 20 an die MCU 10 verwendet werden.
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Gemäß dem vorliegenden Beispiel weist die Treibereinheit 20 eine Synchronisationsschaltung 21 auf, der das Taktsignal CLK zugeführt wird, das von der MCU 10 erzeugt oder von der MCU 10 verwendet wird, wenn ein externer Oszillator XTAL genutzt wird. Daher ist die Synchronisationsschaltung 21 mit einem externen Anschluss der Treibereinheit 20 verbunden, die über eine Taktleitung mit dem Oszillator XTAL oder mit der MCU 10 verbunden ist, um das Taktsignal von der MCU 10 zu empfangen. Gemäß einer beispielhaften Realisierung kann die Synchronisationsschaltung 21 eine Phasenregelschleife (PLL) aufweisen, um mindestens ein internes Taktsignal CLKINT zu erzeugen, das synchron mit (d.h. in Phase mit) dem externen Taktsignal CLK ist, das von dem Oszillator XTAL oder der MCU 10 bereitgestellt wird und das als eine Zeitbasis für ein Synchronisieren des Betriebs der Treibereinheit 20 mit dem internen Taktsignal CLKINT und so (indirekt) mit dem von der MCU 10 oder dem Oszillator XTAL (d.h. von der externen Steuervorrichtung) bereitgestellten Taktsignal dienen kann.
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Die Treiberschaltung 20 weist eine serielle Busschnittstelle 22 auf, die mit der MCU 10 über die seriellen Busleitungen MISO und MOSI gekoppelt ist, wie vorstehend erwähnt. Es sollte beachtet werden, dass der serielle Datenaustausch auf dem Übertragen binärer Daten beruht und die Datenübertragung getaktet und daher synchron mit dem internen Taktsignal CLKINT oder dem externen Taktsignal CLK ist, das von der externen Steuervorrichtung bereitgestellt wird, d.h. von der MCU 10 (die als Bus-Master dient) oder dem Oszillator XTAL. Im Gegensatz zu anderen üblichen seriellen Busschnittstellen (z.B. der üblichen serial peripheral interface SPI) ist die spätere Verarbeitung sowohl von Auslösebefehlen als auch von Daten, die durch die Treibereinheit 20 von der MCU 10 empfangen werden, ebenfalls synchron mit dem Taktsignal CLK, das von der MCU 10 bereitgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen können die seriellen Busleitungen MOSI, MISO und die Taktleitung CLK jeweils ein Paar Leiter aufweisen, um ein Übertragen differenzieller Signale zu ermöglichen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die seriellen Busleitungen MOSI, MISO und die Taktleitung CLK unter Verwendung von Low Voltage Differential Signaling (LVDS) arbeiten.
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Für jeden aus der Vielzahl von Magnetaktuatoren La, Lb weist die Treibereinheit 20 eine entsprechende Steuerschaltung auf. In dem Zusammenhang des vorliegenden Beispiels aus 1 werden diese Steuerschaltungen 23 außerdem als „programmierbare Steuereinheiten“ (PCU) bezeichnet, und jede aus den PCU 23a, 23b (allgemein die PCU 23) ist einem oder mehreren entsprechenden Magnetaktuatoren La, Lb zugeordnet. Die PCU 23 sind mit der seriellen Busschnittstelle 22 verbunden, um über die Busleitung(en) Daten von der MCU 10 zu empfangen. Jede PCU 23 ist dafür konfiguriert (d.h. programmiert) außerdem Auslösebefehle von der MCU 10 über die Busleitung(en) zu empfangen und darüber hinaus Treibersignale SDa, SDb für den/die entsprechenden induktiven Aktuator(en) La, Lb zu erzeugen. Darüber hinaus sind die PCU 23 mit der Synchronisationsschaltung 21 gekoppelt und arbeiten daher synchron mit der internen Zeitbasis, d.h. mit dem internen Taktsignal CLKINT. Als eine Folge davon kann jede PCU 23 synchron mit dem Taktsignal arbeiten, das der Treibereinheit 20 von der MCU 10 oder einem externen Oszillator XTAL zugeführt wird, der auch die MCU 10 taktet. Aufgrund dieser Synchronisation sind der Empfang der Auslösebefehle und Daten und auch das Erzeugen der Treibersignale SDa, SDb synchron mit dem internen Taktsignal (und folglich auch mit dem von dem mit der MCU 10 gekoppelten Oszillator XTAL erzeugten Taktsignal). Die PCU 23 können Speicher zum Speichern digitaler Treibersignalschablonen (z.B. Laststromschablonen) aufweisen, die einem speziellen (z.B. gewünschten) Magnetstromprofil entsprechen bzw. dieses repräsentieren. Eine solche digitale Treibersignalschablone kann für jeden Elektromagneten anzeigen, wie der Elektromagnet als Reaktion auf durch die PCU 23 empfangene Auslösesignale arbeiten sollte. In jeder der PCU 23 kann/können dieselbe(n) oder (eine) ähnliche Treibersignalschablone(n) wie in anderen der PCU 23 gespeichert sein oder kann/können (eine) andere Treibersignalschablone(n) gespeichert sein wie in anderen der PCU 23. Bei einigen Beispielen kann der Speicher jeder PCU Programmcode enthalten, der den Betrieb der PCU steuert. Auf eine solche Weise kann die PCU einen Zustandsautomaten realisieren. Beim Empfang eines Auslösesignals kann eine PCU 23a, 23b ein Treibersignal auf der Grundlage der gespeicherten Signalschablone erzeugen, um einen entsprechenden Magnetstrom gemäß dem erwähnten Stromprofil zu erzeugen. Die Signalschablonen können mithilfe der MCU 10 während einer Initialisierung der Treibereinheit 20 in die PCU 23 geladen werden und dann während des Betriebs durch die entsprechende PCU angepasst werden. Diese Anpassung kann in Abhängigkeit von von der MCU empfangenen externen Befehlen und/oder in Abhängigkeit von Rückmeldungssignalen, die durch die PCU von der/den Überwachungschaltung(en) 24 empfangen und die im Folgenden erörtert werden, vorgenommen werden.
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Gemäß dem vorliegenden Beispiel kann die Treibereinheit 20 Überwachungsschaltungen 24a, 24b (allgemein Überwachungsschaltungen 24) aufweisen. Eine Überwachungsschaltung 24a, 24b kann für jeden Magnetaktuator La, Lb bereitgestellt oder ihm zugeordnet werden. Das heißt, jeder Aktuator ist einer PCU (die die Treibersignale für den Aktuator erzeugt) und einer Überwachungsschaltung (die die Rückmeldungssignale von dem Aktuator bereitstellt) zugeordnet. Jede Überwachungsschaltung 24a, 24b ist dafür konfiguriert, einen oder mehrere physische Parameter des zugeordneten Magnetaktuators zu überwachen (d.h., den einen oder mehrere physische Parameter wie zum Beispiel den Magnetstrom zu messen) und entsprechende Rückmeldungssignale SFa, SFb bereitzustellen, die den oder die gemessenen Parameter repräsentieren. Die Rückmeldungssignale SFa, SFb können von der entsprechenden PCU 23a, 23b empfangen werden.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung können die durch die Überwachungsschaltungen 24 erhaltenen Daten (d.h. die Rückmeldungssignale SFa, SFb) zu den entsprechenden PCU 23 zurückgeführt werden, und diese Daten können zum Erzeugen der entsprechenden Treibersignale SDa, SDb verwendet werden. Für jeden Magnetaktuator L kann eine gewünschte Laststromschablone in die entsprechende PCU 23 geladen werden. Beim Empfang eines Auslösebefehls (über die Busschnittstelle 22) von der MCU 10, einen bestimmten Magnetaktuator zu betätigen, erzeugt die entsprechende PCU 23 Treibersignale SD (siehe die Signale SDa, SDb in 1, die Signale SDH, SDL in 2), die den mit den entsprechenden Magnetaktuatoren gekoppelten Leistungsstufen 21 zugeführt werden, wodurch das gespeicherte Stromprofil als ein Referenzstromsignal verwendet wird. Der tatsächliche Magnetstrom kann überwacht (Überwachungsschaltung 24) und mit dem Referenzstromsignal verglichen werden (z.B. durch die PCU 23), was ein derartiges Anpassen des Treibersignals/der Treibersignale SD ermöglicht, dass der tatsächliche Magnetstrom mit dem gespeicherten gewünschten Stromprofil übereinstimmt. Ein Überwachen des tatsächlichen Magnetstroms und (optional) auch des Spannungsabfalls über den Elektromagneten oder über die Leistungstransistoren (d.h. der Drain-Source-Spannung, siehe auch 2) in der entsprechenden Leistungsstufe ermöglicht ein Erkennen der Zeitpunkte, an denen der Magnet-Kraftstoffinjektor sich tatsächlich öffnet und schließt. Diese Zeitpunkte können eine wesentliche (a priori unbekannte) Verzögerungszeit repräsentieren, die auf die entsprechenden durch die PCU 23 empfangenen Auslösebefehle folgt.
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Gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung können unter Verwendung der Überwachungsschaltungen 24a, 24b erhaltene Daten zu der MCU 10 zurückübertragen werden. Die von der Treibereinheit 20 (insbesondere von den PCU 23) zu der MCU 10 übertragenen Daten können beispielsweise beinhalten: die beobachteten Zeitpunkte, an denen ein bestimmter Magnetaktuator sich öffnet oder schließt, die Verzögerungszeiten zwischen einem Auslösebefehl und der entsprechenden Reaktion des Magnetaktuators, eine digitale Darstellung eines in dem Elektromagneten gemessenen Strompegels, eine digitale Darstellung eines an den Transistoren der mit einem bestimmten Magnetaktuator gekoppelten Leistungsstufe gemessenen Spannungspegels oder andere direkt oder indirekt gemessene Werte. Dies sollte jedoch nicht als eine vollständige Liste angesehen werden. Darüber hinaus können in Abhängigkeit von der tatsächlichen Realisierung und den Anforderungen der Anwendung Signale zurück zu der MCU 10 übertragen werden. Diese Signale sind mit dem internen Taktsignal synchronisiert, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird.
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Es ist wichtig, zu betonen, dass die PCU 23 und auch der serielle Datenaustausch zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 synchron mit dem internen Taktsignal CLKINT und daher auch synchron mit dem Takt CLK funktionieren, der der Treibereinheit 20 durch die MCU 10 oder den Oszillator XTAL zugeführt wird.
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2 veranschaulicht eine beispielhafte Leistungsstufe 21i, die mit einem Magnetaktuator Li gekoppelt ist. Obwohl nur eine einzige Leistungsstufe, die dafür konfiguriert ist, einen einzigen Elektromagneten zu treiben, in 2 gezeigt wird, kann eine Schaltungsanordnung wie sie hier beschrieben wird eine beliebige Anzahl von Leistungsstufen 21i aufweisen, die dafür konfiguriert sind, eine beliebige Anzahl entsprechender Elektromagneten Li zu treiben, wie durch den Indikator „i“ gezeigt wird, der bei den verschiedenen in 2 veranschaulichten Komponenten angewendet wird. Die Leistungsstufe(n) kann/können in einem separaten Chip-Package realisiert und auf dieselbe PCB wie die Treibereinheit 20 montiert werden. Alternativ kann die Leistungsstufe 21i Teil der Treibereinheit 20 oder auch in den Magnetaktuator L integriert sein. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Elektromagnet (dargestellt durch den Induktor L) eines Magnet-Kraftstoffinjektors elektrisch zwischen einen High-Side-Transistor THS1 und einen Low-Side-Transistor TLS geschaltet, sodass die Laststrompfade der Transistoren THS1, TLS und des Induktors elektrisch in Reihe gekoppelt sind. Der High-Side-Transistor THS1 ist zwischen einen ersten Versorgungsanschluss, der mit einer Versorgungsspannung VBOOST versorgt wird, und ein erstes Ende des Elektromagneten geschaltet. Der Low-Side-Transistor TLS ist zwischen einen zweiten Versorgungsanschluss, der mit einem Referenzpotenzial VGND (z.B. Massepotenzial) versorgt wird, und ein zweites Ende des Elektromagneten geschaltet. Ein Messwiderstand RS kann zusätzlich zwischen den zweiten Versorgungsanschluss GND und den Low-Side-Transistor TLS geschaltet sein. Der Spannungsabfall iL RS über diesen Widerstand RS kann dann als Messsignal verwendet werden, das repräsentativ für den Magnetstrom iL ist. Eine Reihenschaltung mit zwei Dioden DHS2, DLS2 und einem weiteren High-Side-Transistor THS2 kann zwischen einen weiteren Versorgungsanschluss, der mit einer weiteren Versorgungsspannung VB (VB < VBOOST) versorgt wird, und den zweiten Versorgungsanschluss (VGND) gekoppelt sein, wobei eine Diode DLS2 zwischen den zweiten Versorgungsanschluss GND und die andere Diode DHS2 geschaltet ist und der High-Side-Transistor THS2 zwischen den weiteren Versorgungsanschluss (VB) und die Diode DHS2 geschaltet sind. Der gemeinsame Schaltungsknoten der beiden Dioden DHS2, DLS2 ist mit dem ersten Ende des Induktors L verbunden. Eine dritte Diode DLS1 ist zwischen den ersten Versorgungsanschluss (VBOOST) und den gemeinsamen Schaltungsknoten des Low-Side-Transistors TLS und des Messwiderstands RS geschaltet.
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Die Treibersignale SD (bei dem vorliegenden Beispiel werden drei Treibersignale SDH1, SDH1, SDL, insgesamt SD, verwendet), die von der Treibereinheit 20 erzeugt und bereitgestellt werden, werden jeweils den Gate-Elektroden der drei MOS-Transistoren THS1, THS2 und TLS zugeführt.
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2 veranschaulicht außerdem zwei beispielhafte Signale, die von der Überwachungseinheit 24i überwacht werden können. Bei dem vorliegenden Beispiel wird die Spannung VS über den Widerstand RS der Treibereinheit 20 als Rückmeldungssignal SFi zugeführt, und die Source-Spannung des High-Side-Transistors THS wird der Treibereinheit 20 als Rückmeldungssignal SF2 zugeführt. In Abhängigkeit von der tatsächlichen Realisierung und den Anforderungen der Anwendung können anspruchsvollere Leistungsstufen verwendet und weitere oder andere Signale können zu der Treibereinheit 20 zurückgeführt werden.
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3 veranschaulicht ein Beispiel für Signalverläufe der Signale, die einer Treibereinheit 20 und einer mit einem Magnet-Kraftstoffinjektor gekoppelten Leistungsstufe zugeordnet sind. Insbesondere weist 3 drei Zeitdiagramme auf. Das oberste Diagramm veranschaulicht die Zeitpunkte tON und tOFF, an denen eine programmierbare Steuerschaltung 23 (PCU) einen Auslösebefehl (steigende Flanke zur Zeit tON) zum Betätigen des Elektromagneten (d.h. Kraftstoff durch den Injektor zuführen) und zum Beenden des Stromflusses (fallende Flanke zur Zeit tOFF) durch den Elektromagneten (d.h. Beenden der Kraftstoffzufuhr, das Deaktivieren des Magnetaktuators) empfängt. Die Auslösebefehle markieren daher die steigende und die fallende Flanke eines externen Einspritzsteuersignals. Das Signal ist als „extern“ klassifiziert, da es von der MCU 10 gesteuert wird, bei der es sich um eine Vorrichtung außerhalb der Treibereinheit 20 handelt.
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Das zweite Diagramm stellt den entsprechenden Magnetstrom iL dar. Demzufolge entspricht der Magnetstrom iL einem typischen sogenannten „Peak-and-Hold-Stromprofil". Die hohe Stromspitze am Anfang eines Einspritzzyklus wird benötigt, um das Einspritzventil schnell zu öffnen, während ein niedrigerer Strom anschließend ausreicht, um den Injektor offen zu halten. Das dritte Diagramm veranschaulicht die Spannung VLH an dem ersten Ende (high-side) des Elektromagneten L, während das vierte Diagramm die Spannung VLL an dem zweiten Ende (low-side) des Elektromagneten L veranschaulicht. An dem Signalverlauf der Spannungen VLL und VLH kann man erkennen, dass Verzögerungszeiten tDELon und tDELoff zwischen einer „Aktion“ in dem externen Injektorsteuersignal (d.h. der steigenden Flanke zur Zeit tON und der fallenden Flanke zur Zeit tOFF) und einer „Reaktion“ des Elektromagneten auftreten, die in dem Magnetstrom sichtbar sind. Daher beginnt der Magnetstrom zu einer Zeit t1 anzusteigen, die eine Verzögerungszeit tDELon nach der Zeit tON liegt. In ähnlicher Weise beginnt der Magnetstrom zu einer Zeit t3 auf Null abzufallen, bei der es sich um eine Verzögerungszeit tDELoff nach der Zeit tOFF handelt. Es ist jedoch eine weitere Verzögerungszeit tDROP erforderlich, bis der Magnetstrom schließlich zu einer Zeit t4 (t4 = t3 + tDROP) auf Null abgefallen ist.
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Das fünfte Diagramm veranschaulicht die sich ergebende geschätzte Kraftstoffzufuhr, die zu einer Zeit t2 beginnt und zu einer Zeit t5 endet. Das heißt, die Zeitpunkte t2 und t5 beziehen sich auf die Zeit, zu der Injektor das Ventil tatsächlich öffnet und mit der Kraftstoffzufuhr beginnt und entsprechend auf die Zeit, zu der der Injektor das Ventil tatsächlich schließt und die Kraftstoffzufuhr beendet. Die mechanische Verzögerung des Ventils wird als tDELstart und entsprechend tDELstop bezeichnet, wobei t2 = t1 + tDELstart und t5 = t4 + tDELstop ist. Die Zeitpunkte t2 und t5 (oder die Verzögerungszeiten tDELstart und tDELstop) können durch Beobachten des Stromgradienten des Magnetstroms, wenn der Injektor sich öffnen soll, und entsprechend des Spannungsgradienten der Injektorspannung VLL, wenn der Injektor sich schließen soll, ermittelt werden. Die Unregelmäßigkeiten in dem ansteigenden Injektorstrom oder der fallenden Injektorspannung zeigen das mechanische Öffnen und entsprechend das Schließen des Einspritzventils an.
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Als ein Ergebnis der vollständig synchronen Operation der seriellen Übertragung sowohl von Auslösebefehlen als auch von Daten zwischen der MCU 10 und der Treibereinheit 20 und dem Betrieb der PCU 23 können die Verzögerungszeiten tDELon und tDELoff auf den Submikrosekundenbereich begrenzt werden. Die Position einer Zwischenspitze in der steigenden Flanke des Magnetstroms zeigt den Zeitpunkt t2 an, an dem der Magnetinjektor sich tatsächlich öffnet und mit der Kraftstoffzufuhr beginnt. In ähnlicher Weise zeigt die Position einer Zwischenspitze in der fallenden Flanke der Spannung VL über den Elektromagneten den Zeitpunkt t5 an, an dem der Magnetinjektor sich schließt und die Kraftstoffzufuhr beendet. Wie bereits erwähnt, können diese Zeitpunkte zu der MCU 10 zurücksignalisiert werden.
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In 4 wird ein beispielhaftes Verfahren zum Treiben einer Vielzahl induktiver Aktuatoren zusammengefasst. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ein Empfangen eines externen Taktsignals CLK, das von einer externen Steuereinheit verwendet wird, z.B. der MCU 10, die in 1 veranschaulicht wird (siehe Schritt 41 in dem Ablaufplan aus 4). Das Taktsignal CLK wird in der Treibereinheit 20 empfangen, die eine Synchronisationsschaltung aufweisen kann, die dafür konfiguriert ist, ein oder mehrere interne (d.h. für die interne Verwendung in der Treibereinheit) Taktsignale CLKINTa, CLKINTb zu erzeugen, die synchron mit dem empfangenen externen Taktsignal CLK sind. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren (Schritt 42 in dem Ablaufplan aus 4) ein Empfangen von Auslösebefehlen von der externen Steuereinheit (z.B. der MCU 10) in einer Vielzahl von PCU 23a, 23b in Synchronisation mit dem externen Taktsignal CLK. Jeder aus der Vielzahl induktiver Aktuatoren ist einer der PCU 23a, 23b zugeordnet. Die PCU 23a, 23b sind in die Treiberschaltung einbezogen und können programmiert werden, z.B. unter Verwendung von geeigneter Software. Gemäß dem zurzeit beschriebenen Verfahren werden Treibersignale SDa, SDb von den PCU als Reaktion auf die empfangenen Auslösebefehle in Synchronisation mit dem externen Takt erzeugt (Schritt 43 in dem Ablaufplan aus 4). Die Treibersignale SDa, SDb sind ebenfalls mit dem externen Taktsignal CLK synchronisiert und entsprechen einer oder mehreren vorprogrammierten Laststromschablonen für den induktiven Aktuator La, Lb, der der jeweiligen PCU 23a, 23b zugeordnet ist. Eine Synchronisation mit dem externen Taktsignal CLK kann indirekt durch eine Synchronisation mit einem der internen Taktsignale CLKINTa, CLKINTb erreicht werden.
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Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen offenbart wurden, ist für Fachleute ersichtlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemäß einer speziellen Realisierung der verschiedenen Ausführungsformen und ohne Abweichen von dem Erfindungsgedanken und Schutzbereich der Erfindung vorgenommen werden können. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen ausführen, auf geeignete Weise eingesetzt werden können. Insbesondere können Signalverarbeitungsfunktionen entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich ausgeführt werden, solange im Wesentlichen gleiche Ergebnisse erzielt werden. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezug auf eine bestimmte Figur erläutert werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst bei denjenigen, wo dies nicht ausdrücklich erwähnt wird. Außerdem können die Verfahren der Erfindung entweder als reine Softwarerealisierungen, unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen, oder als hybride Realisierungen realisiert werden, bei denen eine Kombination aus Hardwarelogik und Softwarelogik genutzt wird, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Derartige Abwandlungen des Konzepts sollen von den angefügten Ansprüchen abgedeckt sein.
