DE102015217311B4

DE102015217311B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Spulenantriebs

Info

Publication number: DE102015217311B4
Application number: DE102015217311.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Etzler
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: ITUB20153535A1; FR3025652B1; KR101771802B1; KR20160030458A; US9777864B2; DE102015217311A1; FR3025652A1; US20160069466A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Spulenantriebs, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines Spannungssignals am Antrieb und Herstellen eines elektrischen Stromflusses durch den Antrieb, wobei der Strom während temporärer Offset-Phasen des Antrieb-Betriebs abwechselnd unterschiedliche Stromintensitäten aufweist; wahlweises Betreiben des Antriebs während einer Mehrzahl von zeitlich nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, während welcher der Strom in einem gegebenen Zielfenster aufrechterhalten wird, welches zwischen einem unteren Stromeinstellwert und einem oberen Stromeinstellwert definiert ist, wobei der Strom durch den Antrieb gemessen und das Spannungssignal derart angepasst wird, so dass ermöglicht wird, dass der Strom in dem vorgegebenen Zielfenster bleibt; wahlweises Betreiben des Antriebs in einer Clamp-Phase zwischen zwei entsprechenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, wobei der Strom durch den Antrieb während der Clamp-Phase durch Anlegen eines invertierten Spannungssignals an dem Antrieb für eine vorgegebene Clamp-Zeitdauer vermindert ist; Messen des Stroms durch den Antrieb unmittelbar nach der Clamp-Phase, um zu bestimmen, ob die Stromintensität das Zielfenster der nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphase überschritten oder unterschritten hat; und Erzeugen einer neu definierten Clamp-Zeitdauer für einen nachfolgenden Aktivierungszyklus durch einen der folgenden Schritte: Falls die Stromintensität den unteren Stromeinstellwert des Zielfensters unterschritten hat, Vermindern der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die Stromintensität den oberen Stromeinstellwert des Zielfensters überschritten hat, Erhöhen der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die unmittelbar auf die Clamp-Phase folgende gemessene Stromintensität innerhalb des Zielfensters liegt, Beibehalten der vorgegebenen Clamp-Zeit als die neu definierte Clamp-Zeitdauer; und Betreiben des Antriebs in dem darauffolgenden Aktivierungszyklus mit der neu definierten Clamp-Zeitdauer.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt im Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Spulenantrieben, welche zum Betreiben von Einspritzdüsenventilen, Einlassventilen und dergleichen verwendet werden. Die Erfindung ist insbesondere auf Strom-basierte Spulenantrieb-Steuersysteme gerichtet, wobei die Antriebe durch Steuerung des Stromprofils betrieben werden.
Spulenantriebe für (Direkt-)Einspritzdüsenventile oder Einlassventile werden durch Leiten eines Stroms gemäß einem spezifizierten Stromprofil durch ihre Spule betrieben (zum Beispiel eine induktive Last). Beispielsweise zeigt 1 ein typisches Stromprofil, welches aus unterschiedlichen sequentiellen Phasen zusammengesetzt ist, während welcher unterschiedliche Stromniveaus angewendet werden. Die beispielhafte Sequenz zeigt die Phasen Pre-Charge, Peak, Hold0 und Hold1. Es soll davon ausgegangen werden, dass die dargestellte Sequenz als auch die Namen der Phasen frei wählbar sind und sich von Anwendung zu Anwendung ändern können. Hinsichtlich der voreingestellten Stromniveaus ist es notwendig, dass diese präzise gesteuert werden, um die beabsichtigte Leistung des Hydrauliksystems sicherzustellen.
Eine Möglichkeit, den Strom während einer vorgegebenen Phase zu steuern, besteht in der Verwendung eines einfachen Closed-Loop-Stromsteuerverfahrens, welches zwischen einem oberen Einstellwert (Setpoint) und einem unteren Stromeinstellwert schaltet. Bei einer wie in 2 dargestellten entsprechenden elektrischen Anordnung sind die Knoten der Spule mit einem Highside-Schalter (24) und mit einem Lowside-Schalter (25) verbunden.
Bei dieser Anordnung wird der Highside-Schalter zur Steuerung des Stroms durch die Spule I_INJ verwendet, indem dieser eingeschaltet wird, wenn der Strom in der Spule unter dem unteren Einstellwert ist, und indem dieser ausgeschaltet wird, wenn der Strom in der Spule über dem oberen Einstellwert ist. Die notwendige Information hinsichtlich des Stroms in der Spule wird über einen Messwiderstand (26) zwischen dem Lowside-Schalter (25) und Masse GND erhalten, wobei der Messwiderstand als ein Stromsensor wirkt. Eine solche Verbindung des Messwiderstands mit GND führt zu bestimmten Vorteilen hinsichtlich der Umsetzung des Strommessverstärkers, als auch hinsichtlich der Messgenauigkeit, welche auf eine praktische Art und Weise erzielt werden kann (zum Beispiel keine „Floating”-Strommessung, d. h. potentialfreie Strommessung, mit hohen CMRR-Anforderungen (CMRR = Common Mode Rejection Ratio), somit einfacheres Design und bessere Performance).
Jedoch gibt es bei der dargestellten Anordnung einen Nachteil dahingehend, dass der Lowside-Schalter (25) derart eingestellt sein muss, damit der Strom in dem Messwiderstand gleich dem Strom in der Spule ist. Jedoch kann dies für ein typisches Stromprofil nicht zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden. Drei sogenannte „Clamp”-Phasen (CLAMP0, CLAMP1, CLAMP2) sind in 1 dargestellt, während welcher ein sehr schneller Stromabfall erforderlich ist. Dieser schnelle Stromabfall wird erreicht, indem der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter zur gleichen Zeit ausgeschaltet werden, wodurch eine entgegengesetzte DC/DC-Spannung an der Spule angelegt wird (zum Beispiel –V_DC).
Aufgrund der Tatsache, dass der Lowside-Schalter (25) ausgeschaltet ist, ist keine Information hinsichtlich des Spulenstroms während dieser Clamp-Phasen verfügbar (siehe Pfad des Stromflusses während einer Clamp-Phase in 3). Somit kann die Dauer der Clamp-Phase lediglich auf einer voreingestellten Phasendauer basiert sein. Da sich jedoch die elektrischen Parameter der Spule hinsichtlich Widerstand und Induktivität über die Zeit und auch in Abhängigkeit von der Temperatur ändern (das heißt Parameter, welche einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit des Stromabfalls haben), dürfte eine feste voreingestellte Dauer für die Clamp-Phase zu Abweichungen von dem gewünschten Stromprofil führen. Diese fehlerhaften Zustände sind in 4A dargestellt, wo die Clamp-Zeit zu kurz ist, um den geeigneten Stromabfall zu erreichen, und in 4B, wo die Clamp-Zeit zu lang ist und der gewünschte Strom unterschritten wird.
Andere Faktoren, welche einen Einfluss auf das Stromverhalten während der Clamp-Phase haben, sind die Spannung des DC/DC-Wandlers oder der Hydraulik-Raildruck des Einspritzdüsensystems.
Der in 4B dargestellte Fall des „Überschreitens” kann insbesondere zu einem Verschließen der Einspritzdüse führen, wobei diese Situation dementsprechend unter allen Umständen verhindert werden muss. Zur Vermeidung der dargestellten Abweichungen von den gewünschten Stromprofilen ist die Clamp-Zeit kein fester voreingestellter Wert, sondern eine Funktion mehrerer Parameter, welche unter Verwendung empirischer Verfahren erhalten werden müssen oder umfangreiche Messungen erfordern.
Entsprechende Lösungen aus dem Stand der Technik sind gekennzeichnet durch die Umsetzung einer Look-up-Tabelle mit empirischen Clamp-Phase-Zeitwerten, welche auf einer Momentantemperatur, einem Rail-Druck usw. beruhen. Diese charakteristischen Tabellen bzw. Look-up-Tabellen sind relativ kompliziert und ihre Integration in die Steuersysteme erfordert beträchtliche Systemressourcen.
Die DE 10 2009 032 521 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges. Das Verfahren weist einerseits ein Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, andererseits ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt wird, sowie ein Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung, und außerdem ein Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf auf.
Die DE 10 2006 025 360 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum beschleunigten Schalten von induktiven Kraftstoff-Einspritzventilen, wobei die durch Remanenz bei einem bistabilen Ventil (mit Öffnungs- und Schließspule) oder durch Wirbelströme bei einem Standard-Ventil mit Öffnungsspule und Schließfeder bewirkten magnetischen Haltekräfte durch einen durch die Spule in zur Richtung des Betriebsstroms entgegengesetzter Richtung fließenden „negativen" Strom eliminiert werden. Zum noch schnelleren Schließen des Ventils werden zusätzlich Eisenrückschluss und Anker aus Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Leitwerten verwendet.
Die US 5 134 537 A offenbart eine Clamp-Schaltung mit negativer Clamp-Spannung zum Steuern von Strömen in induktiven Lasten.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Spulenantriebs bereitzustellen, welche die Nachteile der herkömmlich bekannten Vorrichtungen dieser allgemeinen Art beseitigen und welche eine elegante und kostengünstige Lösung für die obigen Probleme bereitstellen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, als Ersatz für die herkömmliche Tabelle eine Look-up-Tabelle bereitzustellen, welche dahingehend einfacher und kleiner ist, dass sie lediglich geeignete Startwerte für die Clamp-Phase-Zeit enthält (zum Beispiel lediglich einen begrenzten Satz von notwendigen Umgebungszuständen).
Im Hinblick auf das Obige und andere diesbezügliche Aufgaben wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Spulenantriebs bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
Anlegen eines Spannungssignals am Antrieb und Herstellen eines elektrischen Stromflusses durch den Antrieb, wobei der Strom während temporärer Offset-Phasen des Antrieb-Betriebs abwechselnd unterschiedliche Stromintensitäten aufweist;
wahlweises Betrieben des Antriebs während einer Mehrzahl von zeitlich nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, während welcher der Strom in einem gegebenen Zielfenster aufrechterhalten wird, welches zwischen einem unteren Stromeinstellwert und einem oberen Stromeinstellwert definiert ist, wobei der Strom durch den Antrieb gemessen und das Spannungssignal derart angepasst wird, so dass ermöglicht wird, dass der Strom in dem vorgegebenen Zielfenster bleibt;
wahlweises Betreiben des Antriebs in einer Clamp-Phase zwischen zwei entsprechenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, wobei der Strom durch den Antrieb während der Clamp-Phase durch Anlegen eines invertierten Spannungssignals an dem Antrieb für eine vorgegebene Clamp-Zeitdauer vermindert ist;
Messen des Stroms durch den Antrieb unmittelbar nach der Clamp-Phase, um zu bestimmen, ob die Stromstärke das Zielfenster der nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphase überschritten oder unterschritten hat; und
Erzeugen einer neu definierten Clamp-Zeitdauer für einen nachfolgenden Aktivierungszyklus durch einen der folgenden Schritte:
Falls die Stromintensität den unteren Stromeinstellwert des Zielfensters unterschritten hat, Vermindern der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder
Falls die Stromintensität den oberen Stromeinstellwert des Zielfensters überschritten hat, Erhöhen der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder
Falls die unmittelbar auf die Clamp-Phase folgende gemessene Stromintensität innerhalb des Zeitfensters liegt, Beibehalten der vorgegebenen Clamp-Zeit als die neu definierte Clamp-Zeitdauer; und
Betreiben des Antriebs in dem darauffolgenden Aktivierungszyklus mit der neu definierten Clamp-Zeitdauer.
Durch Verwenden der Information des Spulenstroms unmittelbar nach der Clamp-Phase (das heißt, wenn der Lowside-Schalter erneut eingeschaltet ist) und durch Anpassen der voreingestellten Clamp-Phase-Dauer automatisch für die nächste Aktivierung beseitigt die Erfindung das Erfordernis, dass ein empirisches Modell für die Clamp-Phase-Dauer erarbeitet und umgesetzt werden muss.
Die Erfindung basiert auf der Annahme, dass diese Randbedingungen (zum Beispiel Temperatur, Lebensdauer, Rail-Druck usw.), welche zu einer Änderung des Stromabfalls während der Clamp-Phase führen, sich nicht schnell von einer Aktivierung zu der nächsten ändern. Somit weicht mit einem gegebenen Einstellwert für die Clamp-Phase-Dauer das Stromprofil nur langsam von der beabsichtigten Wellenform ab.
In Übereinstimmung mit einem hinzugefügten Merkmal der Erfindung ist die definitive Zeitmenge definiert als eine kleinste zur Verfügung stehende Zeitmenge, welche durch eine zeitliche Auflösung eines Antriebsteuersystems verfügbar ist, und durch ein wahlweises Erhöhen oder Vermindern der gegebenen Zeitmenge um eine einzelne kleinste Zeitmenge zum Erzeugen der neu definierten Clamp-Zeit.
In Übereinstimmung mit einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung wird, zusätzlich Bestimmen eines Unterschreitens oder Überschreitens, ein Maß an Abweichung des Stromsignals von dem entsprechenden Einstellwertsignal gemessen, wobei die neu-definierte Clamp-Zeit durch wahlweises Vermindern oder Erhöhen der gegebenen Zeitmenge um eine zur Abweichung proportionale Menge erzeugt wird.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Antrieb während der Closed-Loop-Stromsteuerphasen durch Anwenden eines pulsbreitenmodulierten Spannungssignals am Antrieb betrieben.
Im Hinblick auf die obigen und weitere Gegenstände wird in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Schaltkreisanordnung zum Betreiben eines Spulenantriebs bereitgestellt, umfassend:
einen Highside-Schalter zum Verbinden des Antriebs mit einem positiven Potential einer Spannungsversorgung und einem Lowside-Schalter zum Verbinden des Antriebs mit Massepotential;
wobei, wenn der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter eingeschaltet sind, ein elektrischer Strom durch den Antrieb von dem positiven Spannungspotential zum Massepotential fließt;
einen Sensor zum Bestimmen einer Stromintensität des durch den Antrieb fließenden elektrischen Stroms;
ein Closed-Loop-Steuersystem zum Steuern des durch den Antrieb fließenden Stroms während Closed-Loop-Stromsteuerphasen in einem Closed-Loop-Steuerschema, wobei die Stromintensität in Abhängigkeit von der durch den Sensor gemessenen Stromintensität betreibbar ist;
eine Clamp-Steuerung zum Herabsetzen des durch den Antrieb während der Clamp-Phase fließenden Stroms, während welcher der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter getrennt sind und ein elektrischer Strom durch den Antrieb mit einer negativen Spannung an der Einspritzdüse fließt; und
einen Schaltkreis, welcher auf ein Signal von dem Sensor reagiert und dazu ausgebildet ist, eine Zeitdauer für eine Clamp-Phase anzupassen, falls ein Signal von dem Sensor anzeigt, dass die Stromintensität des durch den Antrieb fließenden elektrischen Stroms unmittelbar auf eine Clamp-Phase folgend außerhalb eines vorbestimmten Zielfensters fällt.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Schaltkreis ein integrierter Schaltkreis, welcher dazu ausgebildet ist, die Zeitdauer durch Hinzufügen oder Abziehen einer definierten Zeiteinheit für jede Anpassung der Zeitdauer für die Clamp-Phase anzupassen.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Schaltkreis ein Proportional-Integral-Schaltkreis, welcher dazu ausgebildet ist, eine Zeitmenge hinzuzufügen oder abzuziehen, welche proportional zu einer durch den Sensor gemessenen Abweichung für jede Anpassung der Zeitdauer für die Clamp-Phase ist.
In Übereinstimmung mit einem weiteren hinzugefügten Merkmal der Erfindung ist der Schaltkreis dazu ausgebildet ist, eine neu definierte Clamp-Zeitdauer für eine nächste darauffolgende Clamp-Phase durch eines der folgenden Merkmale zu erzeugen:
Falls die durch den Sensor gemessene Stromintensität den unteren Stromeinstellwert des Zielfensters unterschritten hat, Herabsetzen der gegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder
falls die durch den Sensor gemessene Stromintensität den oberen Stromeinstellwert des Zielfensters überschritten hat, Erhöhen der gegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder
falls die unmittelbar auf die Clamp-Phase folgende gemessene Stromintensität innerhalb des Zielfensters liegt, Beibehalten der gegebenen Clamp-Zeit als die neu definierte Clamp-Zeitdauer.
In Übereinstimmung mit einem Nebenmerkmal der Erfindung ist der Stromsensor ein Messwiderstand, welcher zwischen dem Lowside-Schalter und dem Massepotential angeordnet ist.
Das allgemeine Konzept besteht darin, den Strom in der Spule unmittelbar nach der Clamp-Phase zu überwachen, wenn der Lowside-Schalter wieder eingeschaltet ist (das heißt, wenn der Strom in dem Messwiderstand erneut den Strom in der Spule wiedergibt), und diese Information zur Korrektur/Anpassung der Clamp-Phase-Zeit auf automatische Art und Weise für die nächste Aktivierung zu verwenden. Falls der Wert des Stroms in der Spule größer als der obere Stromeinstellwert ist, muss die Dauer für die Clamp-Phase erhöht werden. Im Gegensatz dazu, falls der Wert des Stroms in der Spule kleiner als der untere Stromeinstellwert ist, muss die Clamp-Phase-Dauer dementsprechend herabgesetzt werden. Bei der nächsten Aktivierung sollte der Spulenstrom zwischen dem unteren und dem oberen Stromeinstellwert nach der Clamp-Phase sein. Ansonsten wird der Zeit-Einstellwert korrigiert bzw. angepasst, bis sich der Strom in das Zielfenster „bewegt”.
Bei einer einfachen Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts wird die Abweichung des Spulenstroms in eine der folgenden drei Klassen aufgeteilt. Der Spulenstrom ist:

(i) kleiner als der untere Stromeinstellwert; oder
(ii) höher als der obere Stromeinstellwert; oder
(iii) zwischen dem unteren und dem oberen Stromeinstellwert.

Auf Grundlage dieses Ergebnisses wird der Clamp-Phase-Dauer-Einstellwert

(i) um einen Zeitauflösungsschritt vermindert; oder
(ii) um einen Zeitauflösungsschritt erhöht; oder
(iii) konstant gehalten.

Hinsichtlich des Betriebsprinzips ist dies mit einem Sukzessive-Annäherung-A/D-Wandler vergleichbar.
Bei einer aufwändigeren Umsetzung wird die tatsächliche Abweichung zwischen dem beabsichtigten Stromeinstellwert und dem gemessenen Strom in der Spule verwendet, um die Clamp-Phase-Dauer um einen bestimmten Betrag (zum Beispiel einem Vielfachen der kleinsten Zeiteinheit in der gegebenen Zeitauflösung) anzupassen. Im Allgemeinen erlaubt dieser Lösungsansatz eine schnellere Reaktion auf Abweichungen, jedoch ist das Design hinsichtlich der Stabilität der Closed-Loop-Steuerung schwieriger zu entwickeln.
Ein entsprechender Korrekturalgorithmus kann in einen bereits bestehenden ASIC implementiert werden, welcher zur Erzeugung des Stromprofils auf Basis von Nutzer-Einstellwerten für Stromniveaus und Zeitabläufe verwendet wird.
Weitere Merkmale, welche als für die Erfindung charakteristisch betrachtet werden, sind in den beigefügten Ansprüchen enthalten.
Obwohl die Erfindung hierin als in einer Stromsteuerung für einen Spulenantrieb umgesetzt dargestellt und beschrieben ist, soll die Erfindung gleichwohl nicht auf die gezeigten Details beschränkt sein, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen darin vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung und dem Umfang und Bereich der äquivalenten Ausführungsformen der Ansprüche abzukehren.
Der Aufbau und das Betriebsverfahren der Erfindung werden jedoch zusammen mit zusätzlichen Gegenständen und Vorteilen davon am Besten aus der folgenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden.
Kurze Beschreibung der unterschiedlichen Zeichnungsansichten
1 ist ein Signal-/Zeit-Diagramm, welches ein typisches Stromprofil für einen Spulenantrieb darstellt;
2 ist ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm, welches den Strompfad durch die Spule des Antriebs während PWM-Phasen zeigt;
3 ist ein ähnliches Diagramm, welches den Strom während einer Clamp-Phase zeigt;
4A ist ein Signal-Diagramm, welches einen Strom zeigt, wenn die Clamp-Phase-Zeitdauer zu kurz ist;
4B ist ein Signal-Diagramm, welches den Strom zeigt, wenn die Clamp-Phase-Zeitdauer zu lang ist;
5 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Schaltkreises in Übereinstimmung mit der Erfindung;
6 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer Weiterentwicklung der Ausführungsform des Schaltkreises aus 5; und
7 ist ein Blockdiagramm einer Änderung des Schaltkreises aus 6, welches das Korrektur- und Anpassungs-Prinzip unter verallgemeinerten Bedingungen darstellt.
Beschreibung der Erfindung
Nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren im Detail und zunächst insbesondere mit Bezug auf 1 wird ein Diagramm gezeigt, welches ein beispielhaftes Stromprofil für eine Spuleneinspritzdüse darstellt. Das Profil ist zeitlich in mehrere unterschiedliche Phasen unterteilt. Bei der dargestellten Ausführungsform umfassen diese die Phasen Pre-Charge, Peak, Clamp0, Hold0, Clamp1, Hold1 und Clamp2. Die Abfolge und die Namen sind frei gewählt und können von Anwendung zu Anwendung variieren. Die Phasen unterscheiden sich hinsichtlich Stromniveau, Zeitablauf und Betriebsart.
Die Aktivierung bzw. der Aktivierungszyklus wird mit Hilfe eines Steuersignals CTRL 10 gesteuert, welches ein unteres Niveau L oder ein oberes Niveau H annimmt. Der Aktivierungszyklus wird dementsprechend, wie es in 1 dargestellt ist, durch Betreiben der Antriebsspannung 21 gesteuert. Die Antriebsspannung 21 ist entlang des unteren Abschnitts der Kurve dargestellt.
Die Phasen 11 (Pre-Charge), 12 (Peak), 13 (Hold0) und 14 (Hold1) sind Strom-gesteuerte Phasen. Die Phasen 11, 12, 13 und 14 sind „Strom-regulierte Phasen” oder „Closed-Loop-gesteuerte Phasen”. Sie sind durch ein unteres und ein oberes Stromniveau als auch durch eine Dauer definiert. Während der Strom-regulierten Phase wird der Antriebsstrom 21 in der Spule zwischen dem unteren und dem oberen Stromniveau (I_PHASE(min), I_PHASE(max)) gehalten, und zwar mit Unterstützung eines Closed-Loop-Steuerschemas.
Hierbei ist die Information hinsichtlich des Spulenstroms erforderlich.

Die folgende Tabelle enthält beispielhafte Parameter hinsichtlich der vier Phasen 11, 12, 13 und 14:

	Pre-Charge	Peak	Hold0	Hold1
Antriebsstrom	I_PCH = 1...2.2 A	I_PEAK = 10...15 A	I_HOLD0 = 0...8.7 A	I_HOLD1 = 0...4.7 A
Dauer	t_PCH = 0...2 ms	t_PEAK = 0...0.6 ms	t_HOLD0 = 0...0.6 ms	t_HOLD1 = 0...25 ms

Das Stromsteuerschema ist durch das PWM-Spannungsbetriebssignal charakterisiert. Die Stromintensität während der Pre-Charge- und Hold-Phasen wird mit Hilfe der relativen Einschaltdauer der Antriebsspannung eingestellt bzw. angepasst.
Die Zwischenphasen 15 und 16 (CLAMP0, CLAMP1) und die letzte Phase 17 (CLAMP2) sind zeitliche „Aus”-Phasen. Sie sind lediglich durch eine Dauer definiert. Da keine Strominformation verfügbar ist (das heißt, der Lowside-Schalter 25 ist getrennt), kann der Strom nicht durch die Closed-Loop-Steuerung während dieser Phasen gesteuert werden.
Beispielsweise können die Halte-Phasen CLAMP0 und CLAMP1 für eine Zeitdauer t_CL0 = t_CL1 = 0 bis 40 Mikrosekunden andauern. Aufgrund einer Änderung von Faktoren kann jedoch, wie oben bereits erwähnt worden ist, die Zeit für die Clamp-Phasen nicht auf eine feste Dauer eingestellt werden. Die Clamp-Zeit-Einstellung gemäß der Erfindung wird aus dem Folgenden ersichtlich werden.
2 zeigt eine typische elektrische Anordnung eines Highside-Schalters 24, eines Lowside-Schalters 25, und eines Messwiderstands 26, welcher auch als ein Stromsensor dient. Der Schaltkreis betreibt eine Spuleneinspritzdüse (INJ) in einer Direkteinspritzung-Spulensteuerungs-Treiberanwendung. Die Einspritzdüse wird durch einen Spulenantrieb 27 gesteuert, welcher hinsichtlich des Schaltkreises eine Induktivität 28 und einen Widerstand 29 umfasst. Die Antriebsstrom-Information ist in diesen Situationen als die Spannung an dem Messwiderstand in dem Lowside-Pfad verfügbar. In diesem Fall ist ein Strom-gesteuerter Betrieb möglich.
2 zeigt einen Strompfad 30, welcher sich ergibt, wenn der Highside-Schalter 24 eingeschaltet ist. Der Strompfad 31 bezieht sich auf den Fall, wenn der Highside-Schalter 24 ausgeschaltet ist. In beiden Fällen fließt der Strom durch den Lowside-Schalter 25 und durch den Messwiderstand 26. In diesen Fällen kann der Messwiderstand 26 die Intensität des Stromes messen und die entsprechende Information für das Steuersystem bereitstellen, um so die Closed-Loop-Stromsteuerung zu ermöglichen.
Zusätzlich verbundene Dioden 33 und 34 ermöglichen einen ununterbrochenen Stromfluss durch die induktive Last, wenn der Highside-Schalter 24 und/oder der Lowside-Schalter 25 ausgeschaltet sind.
3 zeigt die gleiche elektrische Schaltkreisanordnung und stellt einen Strompfad 32 während einer Clamp-Phase dar. Dabei sind der Highside-Schalter 24 und der Lowside-Schalter 25 ausgeschaltet. Der Strom durch den Messwiderstand 26 ist deshalb gleich Null. Der Messwiderstand kann keine Strommessinformation für das Steuersystem bereitstellen. Dementsprechend ist lediglich ein Zeit-gesteuerter Betrieb möglich.
4A und 4B sind Kurven, welche den Einspritzdüsenstrom I_INJ über der Zeit t darstellen. Das Sägezahnsignal 21 stellt die korrekte Clamp-Zeit t_CLAMP dar. Das heißt, falls das System für die korrekte Zeitdauer zwischen den Phasen 13 und 14 gehalten wird, dann wird die Stromintensität in geeigneter Weise auf den beabsichtigten Strom I_HOLD1(min) abfallen, bevor der Strom wieder auf I_HOLD1(max) während der Halte-Phase HOLD1 ansteigt.
Falls die Clamp-Zeit jedoch zu kurz ist, wird der Strom 21 nicht auf geeignete Weise innerhalb des beabsichtigten Zeitrahmens abfallen. Dies ist in 4A dargestellt. Das Signal 22 resultiert aus einer verkürzten Clamp-Zeit-Dauer und wird als eine nicht annehmbare Abweichung des Spulenstroms von dem beabsichtigten Stromprofil betrachtet. Diese Situation wird als ein Over-Shoot (Überschreiten) bezeichnet. Das heißt, am Ende der Clamp-Phase ist der Strom 22 in der Spule noch höher als der obere Stromeinstellwert I_HOLDn(max) für die nachfolgende Halte-Phase. Die Dauer der vorangehenden Clamp-Phase ist zu kurz, um dem Spulenstrom zu ermöglichen, unter den beabsichtigten oberen Stromeinstellwert abzufallen. Dies hat einen Einfluss auf bestimmte Komponenten hinsichtlich eines Energieverlusts.
4B zeigt die Under-Shoot(Unterschreiten)-Situation. Am Ende der Clamp-Phase ist der Strom 23 in der Spule schon kleiner als der untere Stromeinstellwert (Setpoint) für die nachfolgende Halte-Phase. Die Dauer der vorangehenden Clamp-Phase ist zu lang, um den Spulenstrom über den beabsichtigten unteren Stromeinstellwert I_HOLDn(min) zu halten. Dies hat einen Einfluss auf die Performance des Hydraulik-Systems (beispielsweise kann die Einspritzdüse verschließen). Insbesondere sollte der Under-Shoot vermieden werden.
Nunmehr mit Bezug auf 5 wird ein einfaches Blockdiagramm eines äquivalenten Schaltkreises gezeigt, bei welchem das Korrektur-/Anpassungs-Konzept gemäß der Erfindung dargestellt ist. Dies wird mit einem Strom-Diskriminator und einer Clamp-Phase-Zeitoffset-Erzeugung erreicht.
Das ursprüngliche Problem besteht darin, dass die Spulenstrominformation nicht jederzeit verfügbar ist, um so eine kontinuierliche Ausführung des Closed-Loop-Steuerschemas zu ermöglichen. Eine Lösung des Problems besteht darin, die Strommesseinrichtung (beispielsweise den Messwiderstand) direkt im Lastpfad anzuordnen. Dann ist eine korrekte Spulenstrominformation zu jeder gegebenen Zeit verfügbar, selbst wenn der Lowside-Schalter ausgeschaltet ist. Die zieht allerdings das Problem einer „Floating”-Strommessung nach sich, welche mit hoher Genauigkeit umgesetzt werden muss. Der Einfluss auf die Umsetzungskosten beispielsweise ist beträchtlich.
Es ist außerdem möglich, Messwiderstände derartig anzuordnen, dass der Spulenstrom aus den erhaltenen Strominformations-Stücken rekonstruiert werden kann. In Abhängigkeit davon, welche Komponente leitet, wird der Spulenstrom aus dem entsprechenden Strom-Stück rekonstruiert. Während diese Lösung hinsichtlich des ursprünglichen Problems funktioniert, dass der Strom nicht jederzeit verfügbar ist, ist eine beträchtliche Anzahl von zusätzlichen Komponenten erforderlich. Wiederum ist der Einfluss auf die Komponentenkosten und den notwendigen PCB-Platzbedarf beträchtlich.
Die Erfindung stellt für diese Probleme eine elegante Lösung bereit. Hierbei sind keine zusätzlichen Messwiderstände und Leistungskomponenten notwendig, und dementsprechend werden die Umsetzungskosten für Leistungskomponenten nicht beeinträchtigt.
Nunmehr mit Bezug auf 5, 6 und 7 kann die neuartige Lösung in einem digitalen Bereich (zum Beispiel VHDL Code = Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) eines bereits bestehenden Treiber-ASIC umgesetzt werden. Unter Berücksichtigung heutiger ASIC-Technologie und Gate-Dichte für diese ASIC ist die Kostenbeeinträchtigung relativ vernachlässigbar.
5 zeigt einen sehr verallgemeinerten Fall der Erfindung. Hierbei weist das System einen integralen Pfad und einen proportionalen Pfad auf. Die Abweichung vom Ziel-Fenster wird ebenfalls wertemäßig erfasst. Bei Bestimmung einer Abweichung wird die Clamp-Zeit durch einen integralen Teil (op-amp k_i) und durch einen proportionalen Teil (op-amp k_p) angepasst. Die Clamp-Zeitdauer wird angepasst, bis der Antriebsstrom innerhalb des Ziel-Fensters ist. Im Vergleich zu der relativ einfachen Integration in 6, wie unten dargestellt ist, stellt die Lösung in 5 eine schnellere Clamp-Zeit-Anpassung bereit.
Die Erfindung basiert auf dem Konzept, dass die Strominformation unmittelbar nach der Clamp-Phase verfügbar ist, sobald die nächste Strom-gesteuerte Phase beginnt. Die Abweichung vom Ziel-Fenster (I_HOLDn(min) – I_HOLDn(max)) wird verwendet, um die Clamp-Zeit für den nächsten Aktivierungszyklus anzupassen (beispielsweise CLAMP0_n → CLAMP0_n+1). In Abhängigkeit davon, ob das Signal unter dem Ziel-Fenster oder über dem Ziel-Fenster gemessen wird, wird die Clamp-Zeit erhöht oder vermindert, und zwar um eine Zeiteinheit (+1, –1) in einem integrierenden Schritt. Falls das Signal innerhalb des Fensters gemessen wird, dann wird die Clamp-Zeit nicht angepasst (0). Die Anpassung in dem Schaltkreis der 6 ist eine schrittweise Anpassung, da die Clamp-Zeitdauer um eine einzelne Zeiteinheit (kleinste Zeiteinheit gemäß der Auflösung) zu einem bestimmten Zeitpunkt angepasst wird. Die Auflösung wird bevorzugt für Umgebungen mit sich relativ langsam ändernden Parametern.
7 ist ein Blockdiagramm, welches das Korrekturprinzip in Übereinstimmung mit der Erfindung in einer von dem Blockschaltkreis aus 6 abgeleiteten Umsetzung darstellt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Spulenantriebs, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines Spannungssignals am Antrieb und Herstellen eines elektrischen Stromflusses durch den Antrieb, wobei der Strom während temporärer Offset-Phasen des Antrieb-Betriebs abwechselnd unterschiedliche Stromintensitäten aufweist; wahlweises Betreiben des Antriebs während einer Mehrzahl von zeitlich nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, während welcher der Strom in einem gegebenen Zielfenster aufrechterhalten wird, welches zwischen einem unteren Stromeinstellwert und einem oberen Stromeinstellwert definiert ist, wobei der Strom durch den Antrieb gemessen und das Spannungssignal derart angepasst wird, so dass ermöglicht wird, dass der Strom in dem vorgegebenen Zielfenster bleibt; wahlweises Betreiben des Antriebs in einer Clamp-Phase zwischen zwei entsprechenden Closed-Loop-Stromsteuerphasen, wobei der Strom durch den Antrieb während der Clamp-Phase durch Anlegen eines invertierten Spannungssignals an dem Antrieb für eine vorgegebene Clamp-Zeitdauer vermindert ist; Messen des Stroms durch den Antrieb unmittelbar nach der Clamp-Phase, um zu bestimmen, ob die Stromintensität das Zielfenster der nachfolgenden Closed-Loop-Stromsteuerphase überschritten oder unterschritten hat; und Erzeugen einer neu definierten Clamp-Zeitdauer für einen nachfolgenden Aktivierungszyklus durch einen der folgenden Schritte: Falls die Stromintensität den unteren Stromeinstellwert des Zielfensters unterschritten hat, Vermindern der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die Stromintensität den oberen Stromeinstellwert des Zielfensters überschritten hat, Erhöhen der vorgegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die unmittelbar auf die Clamp-Phase folgende gemessene Stromintensität innerhalb des Zielfensters liegt, Beibehalten der vorgegebenen Clamp-Zeit als die neu definierte Clamp-Zeitdauer; und Betreiben des Antriebs in dem darauffolgenden Aktivierungszyklus mit der neu definierten Clamp-Zeitdauer.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ein Definieren der definitiven Zeitmenge als eine kleinste zur Verfügung stehende Zeitmenge umfasst, und zwar durch eine zeitliche Auflösung eines Antriebssteuersystems, und ein wahlweises Erhöhen oder Erniedrigen der gegebenen Zeitmenge, um eine einzelne kleinste Zeitmenge der neu definierten Haltezeit zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches zusätzlich zum Bestimmen des Unterschreitens oder Überschreitens ein Messen eines Abweichungsbetrages des Stromsignals von dem entsprechenden Einstellwertsignal umfasst, und beim Schritt des Erzeugens der neu definierten Clamp-Zeit ein wahlweises Erhöhen oder Erniedrigen der gegebenen Zeitmenge um einen Betrag umfasst, welcher proportional zur Abweichung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ein Betreiben des Antriebs während der Closed-Loop-Stromsteuerphasen umfasst, und zwar durch Anwenden eines pulsbreitenmodulierten(PWM)-Spannungssignals am Antrieb.
Schaltkreisanordnung zum Betreiben eines Spulenantriebs, umfassend: einen Highside-Schalter zum Verbinden des Antriebs mit einem positiven Potential einer Spannungsversorgung und einem Lowside-Schalter zum Verbinden des Antriebs mit Massepotential; wobei, wenn der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter eingeschaltet sind, ein elektrischer Strom durch den Antrieb von dem positiven Spannungspotential zum Massepotential fließt; einen Sensor zum Bestimmen einer Stromintensität des durch den Antrieb fließenden elektrischen Stroms; ein Closed-Loop-Steuersystem zum Steuern des durch den Antrieb fließenden Stroms während Closed-Loop-Stromsteuerphasen in einem Closed-Loop-Steuerschema, wobei die Stromintensität in Abhängigkeit von der durch den Sensor gemessenen Stromintensität gesteuert wird; eine Clamp-Steuerung zum Herabsetzen des durch den Antrieb während der Clamp-Phase fließenden Stroms, während welcher der Highside-Schalter und der Lowside-Schalter getrennt sind und ein elektrischer Strom durch den Antrieb mit einer negativen Spannung an der Last fließt; und einen Schaltkreis, welcher auf ein Signal von dem Sensor reagiert und dazu ausgebildet ist, eine Zeitdauer für eine Clamp-Phase anzupassen, falls ein Signal von dem Sensor anzeigt, dass die Stromintensität des durch den Antrieb fließenden elektrischen Stroms unmittelbar auf eine Clamp-Phase folgend außerhalb eines vorbestimmten Zielfensters fällt.
Schaltkreisanordnung nach Anspruch 5, wobei der Schaltkreis ein integrierender Schaltkreis ist, welcher dazu ausgebildet ist, die Zeitdauer durch Hinzufügen oder Abziehen einer definierten Zeiteinheit für jede Anpassung der Zeitdauer für die Clamp-Phase anzupassen.
Schaltkreisanordnung nach Anspruch 5, wobei der Schaltkreis ein Proportional-Integral-Schaltkreis ist, welcher dazu ausgebildet ist, eine Zeitdauer hinzuzufügen oder abzuziehen, welche proportional zu einer durch den Sensor gemessenen Abweichung für jede Anpassung der Zeitdauer für die Clamp-Phase ist.
Schaltkreisanordnung nach Anspruch 5, wobei der Schaltkreis dazu ausgebildet ist, eine neu definierte Clamp-Zeitdauer für eine darauffolgende Clamp-Phase durch eines der folgenden Merkmale zu erzeugen: Falls die durch den Sensor gemessene Stromintensität den unteren Stromeinstellwert des Zielfensters unterschritten hat, Herabsetzen der gegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die durch den Sensor gemessene Stromintensität den oberen Stromeinstellwert des Zielfensters überschritten hat, Erhöhen der gegebenen Clamp-Zeitdauer um eine definierte Zeiteinheit; oder falls die unmittelbar auf die Clamp-Phase folgende gemessene Stromintensität innerhalb des Zielfensters liegt, Beibehalten der gegebenen Clamp-Zeit als die neu definierte Clamp-Zeitdauer.
Schaltkreisanordnung nach Anspruch 5, wobei der Stromsensor ein Messwiderstand ist, welcher zwischen dem Lowside-Schalter und dem Massepotential angeordnet ist.