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Die Erfindung betrifft die Bestimmung eines Stroms durch einen Verbraucher. Insbesondere betrifft die Erfindung die Strombestimmung durch einen mittels Dithering angesteuerten Verbraucher.
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In Hydraulikanwendungen werden oft stromgeregelte Ventile eingesetzt. Insbesondere an einem Stetigventil kann der durch das Ventil fließende elektrische Strom direkt proportional zu einem hydraulischen Druck sein. Der Druck wird durch einen hydraulischen Steuerkolben gesteuert, der mittels eines Magnetankers verstellbar ist, der im magnetischen Einfluss einer Spule liegt. Um eine Losbrechreibung des Magnetankers bzw. Steuerkolbens zu umgehen, kann ein durch die Spule des Ventils fließender elektrischer Strom mittels Dithering aus einer Gleichstromkomponente und einer Dithering-Komponente zusammengesetzt sein. Die Dithering-Komponente wird in vorbestimmten Zeitintervallen geändert und ist auch als Brummstrom bekannt, wobei eine Dithering-Periode üblicherweise derart gewählt ist, dass die Dithering-Frequenz im Bereich von ca. 70 bis 400 Hz liegt. Dadurch werden der Magnetanker und der Steuerkolben in eine schwache Schwingung versetzt, sodass sie verbessert mittels des Gleichstroms steuerbar sind. Eine Hysterese zwischen der elektrischen Ansteuerung und der hydraulischen Wirkung kann so verringert sein.
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Es ist üblich, eine Ansteuervorrichtung zur Steuerung des durch die Spule des Magnetventils fließenden Stroms vorzusehen, die mittels einer Steuerleitung mit einer Steuerkomponente verbunden ist, sodass das Dithering und die Bereitstellung des Stroms von der Ansteuervorrichtung durchgeführt werden, während die Steuervorrichtung hauptsächlich die Gleichstromkomponente oder eine dazu äquivalente Größe an der Ansteuervorrichtung anfordert.
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Der tatsächlich durch die Spule fließende Strom kann seitens der Ansteuervorrichtung auch bestimmt und an die Verarbeitungseinrichtung zurückgelesen werden. Allerdings beeinflusst das Dithering die Bestimmung des Stroms, sodass ein Mittelwert oder Effektivwert über eine gesamte Dithering-Periode bestimmt wird. Je nach Länge der Dithering-Periode kann die damit verbundene Verzögerung inakzeptabel für Steuer- oder Prüfzwecke sein. Alternativ dazu kann der mittlere durch die Spule fließende elektrische Strom auch fortlaufend bestimmt und auf Anforderung an die Verarbeitungseinrichtung weitergegeben werden. Der bestimmte Stromwert kann dabei jedoch zum Zeitpunkt der Bereitstellung bereits veraltet sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik bereitzustellen, mittels derer ein durch einen elektrischen Verbraucher, der mittels Dithering angesteuert wird, fließender elektrischer Strom verbessert bestimmt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms, der durch einen Verbraucher fließt, wobei der Strom eine Gleichstromkomponente und eine Dithering-Komponente umfasst und die Dithering-Komponente in vorbestimmten Zeitintervallen geändert wird, umfasst Schritte des Erfassens eines Momentanstroms, des Bestimmens eines Dithering-Parameters, und des Bestimmens des Stroms auf der Basis des Momentanstroms und des Dithering-Parameters.
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Die Bestimmung des Stroms auf der Basis des Momentanstroms kann sehr schnell erfolgen. Eine Latenzzeit zwischen einer Anforderung zur Bestimmung des Stroms und dem fertig bestimmten Strom kann kurz sein, wodurch sich das Verfahren auch für sicherheitskritische oder hochdynamische Steuervorgänge eignen kann. Je nach Art des durchgeführten Ditherings kann der Dithering-Parameter eine einfache Größe sein, die mit geringem Aufwand zur Bestimmung des durch den Verbraucher fließenden Stroms verwendet werden kann. Die Strombestimmung kann dadurch rasch und unter Einsatz geringer Verarbeitungsmittel durchgeführt werden. Ferner können die Stromsteuerung und das Dithering des Verbrauchers besser voneinander getrennt werden. Das Dithering kann insbesondere praktisch vollständig transparent durchgeführt werden, sodass eine erste Komponente zur Stromsteuerung des Verbrauchers oder eine zweite Komponente zur Bestimmung des Stroms das Dithering nicht behandeln müssen.
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Bevorzugterweise umfasst der Dithering-Parameter einen Hinweis auf den Betrag der Dithering-Komponente. Ist die Dithering-Komponente bekannt, so kann sie vom Momentanstrom subtrahiert werden, um den Strom zu ergeben. In einer Ausführungsform ist der Dithering-Parameter linear vom Betrag der Dithering-Komponente abhängig.
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Die Dithering-Komponente kann periodisch in einer vorbestimmten Kurvenform geändert werden, wobei der Dithering-Parameter einen Hinweis auf die Kurvenform umfasst. Beispielhafte Kurvenformen umfassen Rechteck, Dreieck oder Sägezahn. Sind die Kurvenform und beispielsweise ein Phasenwinkel der Kurvenform bekannt, so kann die Dithering-Komponente einfach bestimmt werden. Der Phasenwinkel kann in unterschiedlichen Formen angegeben sein, beispielsweise diskret als Zählerstand von Zeitintervallen, wobei eine vorbestimmte Anzahl Zeitintervalle pro Periode vorgesehen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Dithering-Parameter einen Hinweis auf die Periodendauer des Ditherings.
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Der Strom kann derart bestimmt werden, dass er einem Mittelwert über eine Periode des Ditherings entspricht. Diese Bestimmung erfordert nicht das Beobachten des Stroms über eine Dithering-Periode, sondern kann bevorzugterweise rechnerisch auf der Basis des Momentanstroms und eines oder mehrerer Dithering-Parameter bestimmt werden. Die Weiterverarbeitung des Stroms kann dadurch vereinfacht sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der bestimmte Strom einen Effektivwert über eine Periode. Dadurch kann eine gesteigerte Flexibilität bei der Wahl der Kurvenform des Ditherings bestehen. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der bestimmte Strom lediglich die Gleichstromkomponente. Die Dithering-Komponente wird dabei aus der Bestimmung entfernt. Diese Vorgehensweise kann sich insbesondere dann anbieten, wenn die Dithering-Komponente über eine Periode zu gleichen Teilen positiv wie negativ ist. In diesem Fall kann die Gleichstromkomponente auch dem Mittelwert des durch den Verbraucher fließenden Stroms entsprechen.
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Das Verfahren kann insbesondere mittels zweier Vorrichtungen implementiert werden, wobei eine Ansteuervorrichtung den Strom durch den Verbraucher steuert und auch abtastet und die andere Vorrichtung die Ansteuervorrichtung steuert.
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Eine Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung eines Stroms durch einen Verbraucher, wobei der Strom einen vorbestimmten Gleichstrom und einen sich in vorbestimmten Zeitintervallen verändernden Dithering-Strom umfasst, umfasst eine Abtastvorrichtung zur Bestimmung eines Momentanstroms durch den Verbraucher und eine Schnittstelle zur Bereitstellung des Momentanstroms und eines Dithering-Parameters. Die Ansteuervorrichtung kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis oder integrierte Steuerkomponente ausgebildet sein. Das Dithering wird bevorzugterweise vollständig durch die Ansteuervorrichtung gesteuert. Dithering-Parameter wie eine Kurvenform, eine Periodendauer, eine Anzahl Zeitintervalle pro Periode oder eine Schrittweite des Dithering-Stroms in aufeinander folgenden Zeitintervallen können fest eingeprägt oder von außen vorgebbar sein. Außerdem kann bevorzugterweise die Gleichstromkomponente von außen vorgegeben werden. Eine Kommunikation zwischen der Ansteuervorrichtung und einer anderen Steuervorrichtung kann beispielsweise mittels einer seriellen Schnittstelle erfolgen. Beispielsweise eignet sich hierfür der SPI-Bus, der industriell erprobt und weit verbreitet ist.
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Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Stroms durch einen Verbraucher, der mittels der oben beschriebenen Ansteuervorrichtung angesteuert wird, ist dazu eingerichtet, einen mittels der Ansteuereinrichtung bestimmten Momentanstrom anzufordern und den Strom durch den Verbraucher auf der Basis des Momentanstroms und eines Dithering-Parameters zu bestimmen. Der Dithering-Parameter kann ebenfalls durch die Ansteuervorrichtung bereitgestellt werden. Es können auch einer oder mehrere zusätzliche Dithering-Parameter von der Vorrichtung zur Bestimmung des Stroms herangezogen werden, wobei der oder die zusätzlichen Parameter zu einem früheren Zeitpunkt der Ansteuervorrichtung vorgegeben wurden und daher seitens der Vorrichtung bekannt sind.
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In der zuletzt beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Bestimmung des Stroms seitens der Vorrichtung; das weiter oben beschriebene Verfahren kann jedoch auch vollständig durch die Ansteuervorrichtung durchgeführt werden, wobei der bestimmte, durch den Verbraucher fließende Strom nach außen bereitgestellt werden kann.
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Durch die beispielsweise Übermittlung des Momentanstroms zusammen mit der Schrittweite des Dithering-Stromes ist jederzeit ein Vergleich mit einer Sollvorgabe möglich. Ein Abwarten bis der Strom über eine Periode des Ditherings gemittelt ist, entfällt somit. Als Sollwert dient z.B. ein über eine Periode des Dithering gemittelter Sollstrom addiert mit einem Dithering-Parameter. Selbstverständlich kann auch ein anderer Sollwert herangezogen werden. Somit ist es zudem möglich, die korrekte Funktion des Ditherings zu überwachen.
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Mit dem Verfahren kann die korrekte Funktion der Verbraucher gegenüber dem Stand der Technik besser und in kürzerer Zeit überwacht werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein Schaltbild eines Systems zur Steuerung eines Stroms durch einen Verbraucher;
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2 einen beispielhaften Verlauf eines Stroms durch den Verbraucher von 1; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen des durch den Verbraucher von 1 fließenden Stroms
darstellt.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Systems 100 zur Steuerung eines Stroms durch einen Verbraucher 105. Der Verbraucher 105 kann insbesondere ein stromgesteuertes Hydraulikventil, insbesondere ein Stetigventil, umfassen. Das Stetigventil lässt einen stetigen Übergang zwischen Schaltstellungen zu, sodass ein Volumenstrom eines hydraulischen Fluids proportional einstellbar ist. Das Stetigventil kann ein Proportionalventil, ein Regelventil oder ein Servoventil umfassen und insbesondere zur Steuerung eines Getriebes in einem Antriebsstrang, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, umfassen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Verbraucher 105 daher eine Spule 110 mit einem Anker 115, auch Magnetanker genannt, der auf einen hydraulischen Kolben 120, auch Steuerkolben genannt, wirkt. Ein hydraulischer Kreis durch das Hydraulikventil ist in 1 nicht dargestellt.
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Ein Strom durch den Verbraucher 105 wird von einer Stromquelle 125 bereitgestellt und mittels einer Ansteuervorrichtung 130 gesteuert. Die Ansteuervorrichtung 130 kann mit einer Steuervorrichtung 135 mittels einer Schnittstelle 140 kommunizieren. Die Steuervorrichtung 135 umfasst üblicherweise eine Verarbeitungseinrichtung 145, die dazu eingerichtet ist, eine Vorgabe für den durch den Verbraucher 105 fließenden Strom zu bestimmen und an die Ansteuervorrichtung 130 zu übermitteln, um eine vorbestimmte Steueraufgabe zu erfüllen.
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Die Ansteuervorrichtung 130 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 150, eine Stromsteuerung 155 zur Steuerung eines durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms und eine Abtastvorrichtung 160 zur Bestimmung eines Momentanwerts des durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Längswiderstand 165 (Shunt) in den Strompfad des Verbrauchers 105 eingefügt, wobei die Abtastvorrichtung 160 eine über dem Längswiderstand 165 abfallende Spannung bestimmt.
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Die Stromsteuerung 155 ist dazu eingerichtet, einen Strom durch den Verbraucher 105 einzustellen, der sich aus zwei Komponenten zusammensetzt. Eine Gleichstromkomponente kann bevorzugterweise über die Schnittstelle 140 von außen vorgegeben werden und eine Dithering-Komponente wird seitens der Stromsteuerung 155 erzeugt. Die Dithering-Komponente wird unten mit Bezug auf 2 genauer beschrieben. Parameter zur Durchführung des Ditherings können in der Ansteuervorrichtung 130 fest eingeprägt oder mittels der Schnittstelle 140 von außen vorgegeben werden. Üblicherweise werden die Dithering-Parameter nur einmal initialisiert und dann nicht weiter verändert. Die Gleichstromkomponente, die durch den Verbraucher 105 fließen soll, wird dann nach Bedarf über die Schnittstelle 140 von außen vorgegeben und selbstständig durch die Ansteuervorrichtung 130 bzw. die Stromsteuerung 155 umgesetzt. Soll der tatsächlich durch den Verbraucher 105 fließende Strom bereitgestellt werden, so kann der Momentanstrom mittels der Abtastvorrichtung 160 abgetastet werden.
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Es wird vorgeschlagen, den abgetasteten Momentanstrom auf der Basis eines Dithering-Parameters, der zum Zeitpunkt des Abtastens galt, zu verrechnen, um den Strom durch den Verbraucher 105 als Mittelwert, Effektivwert oder in Form der Gleichstromkomponente zu bestimmen. In einer ersten Variante können der Momentanstrom und der Dithering-Parameter seitens der Ansteuervorrichtung 130 verarbeitet werden, sodass der fertig bestimmte Strom mittels der Schnittstelle 140 nach außen bereitgestellt werden kann, in einer anderen Variante werden der Momentanstrom und der Dithering-Parameter über die Schnittstelle 140 nach außen bereitgestellt und eine Bestimmung des Stroms erfolgt extern, beispielsweise mittels der Steuervorrichtung 135 bzw. deren Verarbeitungseinrichtung 145.
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2 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines Stroms 205 durch den Verbraucher 105. Der Strom 205 setzt sich zu jedem Zeitpunkt aus einer Gleichstromkomponente 210 und einer Dithering-Komponente 215 zusammen. Die Dithering-Komponente 215 kann bezüglich der Gleichstromkomponente 210 nur positiv, nur negativ oder, wie dargestellt, zu unterschiedlichen Zeitpunkten positiv oder negativ sein. Die Dithering-Komponente 215 verändert sich in vorbestimmten Zeitintervallen 220, wobei eine vorbestimmte Anzahl Zeitintervalle 220 eine Periodendauer 225 ergeben. Weitere Parameter, die das Dithering beeinflussen, können eine Amplitude 230 oder eine Schrittweite 235 umfassen. Außerdem entscheidet eine Kurvenform der Dithering-Komponente 215 über deren absoluten Wert zu einem beliebigen Zeitpunkt.
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Exemplarisch dargestellt ist ein Dithering in Dreiecksform, die häufig bei der Steuerung eines hydraulischen Ventils als Verbraucher 105 verwendet wird. Die Dithering-Komponente 215 steigt in Zeitintervallen 220 0 bis k in vorbestimmten, konstanten Schrittweiten 235 auf eine maximale Amplitude 230 an, wird von dort bis zu einem Zeitintervall 220 3k schrittweise wieder verringert und anschließend bis zum Zeitintervall 220 4k – 1 wieder schrittweise angehoben. Das Absenken und das Anheben erfolgen dabei linear über die Zeit. k ist eine Variable, die vorgegeben werden kann, um einen vorbestimmten Zusammenhang zwischen der Periodendauer 225 des Ditherings und dem Zeitintervall 220 herzustellen.
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In der dargestellten Dreiecksform beträgt der Mittelwert der Dithering-Komponente 215 über eine vollständige Periode 225 0. Der Effektivwert der Dithering-Komponente 215 entspricht bei der gewählten Dreiecksform 2/3 des Scheitelwerts, wobei der Scheitelwert der Unterschied zwischen Maximalwert und Minimalwert der Dithering-Komponente 215 ist, hier also dem Doppelten der Amplitude 230 entspricht. Es sind auch andere Kurvenformen als die Dreiecksform möglich, beispielsweise können in anderen Ausführungsformen eine Sinusform, ein Sägezahn oder ein Rechteck als Kurvenform verwendet werden.
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Die Ansteuervorrichtung 130 ist dazu eingerichtet, die Dithering-Komponente 215 der extern vorgegebenen Gleichstromkomponente 210 zu überlagern. Die Bestimmung der Dithering-Komponente 215 wird dabei auf der Basis der genannten Parameter 220 bis 235, der Kurvenform und ggf. noch weiterer Parameter vollständig seitens der Ansteuervorrichtung 130 bestimmt.
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Um den zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durch den Verbraucher 105 fließenden Strom 205 zu bestimmen, können in unterschiedlichen Ausführungsformen die Gleichstromkomponente 210, ein Mittelwert oder ein Effektivwert des Stroms 205 über eine Periodendauer 225 bestimmt werden. Dabei erfolgt die Bestimmung auf der Basis eines Momentanstroms durch den Verbraucher 105 und eines oder mehrerer Dithering-Parameter. Der Momentanstrom ist ein Strombetrag, der innerhalb eines Zeitintervalls 220, zu dem die Bestimmung durchgeführt wird, durch den Verbraucher 105 fließt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Bestimmen des durch den Verbraucher 105 von 1 fließenden Stroms 205. Im linken Bereich sind Schritte dargestellt, die bevorzugterweise durch die Steuervorrichtung 135 ausgeführt werden, während im rechten Bereich Schritte dargestellt sind, die bevorzugterweise durch die Ansteuervorrichtung 130 abgearbeitet werden.
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Unabhängig von der tatsächlichen Bestimmung des Stroms werden üblicherweise in einem Schritt 305 Dithering-Parameter seitens der Steuervorrichtung 135 bestimmt und in einem Schritt 310 seitens der Ansteuervorrichtung 130 übernommen bzw. aktiviert. Je nach Auslegung der Schnittstelle 140 kann die Kommunikation zwischen der Steuervorrichtung 135 und der Ansteuervorrichtung 130 eine Adressierung und einen Zugriff auf eines oder mehrere vorbestimmte Register seitens eines der Bausteine 130, 135 umfassen. Für jeden Dithering-Parameter kann beispielsweise ein eigenes Register seitens der Ansteuervorrichtung 130 vorgesehen sein. Die Steuervorrichtung 135 kann dann passende Werte für gewünschte Dithering-Parameter in die einzelnen Register schreiben.
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In einem üblichen Betrieb des Systems 100 wird seitens der Steuervorrichtung 135 eine gewünschte Gleichstromkomponente 210 in einem Schritt 315 bestimmt, an die Ansteuervorrichtung 130 übermittelt und dort in einem Schritt 320 übernommen bzw. aktiviert. Die Schritte 315 und 320 laufen üblicherweise häufig ab.
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Zur Bestimmung des Stroms durch den Verbraucher 105 seitens der Steuervorrichtung 135 wird die Strombestimmung in einem Schritt 325 angefordert und in einem Schritt 330 durch die Ansteuervorrichtung 130 durchgeführt. In einem Schritt 335 werden der bestimmte Momentanstrom und wenigstens ein Dithering-Parameter bereitgestellt bzw. übermittelt und in einem Schritt 340 seitens der Steuervorrichtung 135 einer Bestimmung des tatsächlich durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms zugrunde gelegt. Dabei werden der im Schritt 335 Dithering-Parameter und gegebenenfalls noch weitere Parameter verwendet, die beispielsweise seitens der Steuervorrichtung 135 aus einem der Schritte 305 oder 315 bekannt sind. Die weiteren Parameter können beispielsweise eine Periodendauer des Dithering oder eine Dithering-Frequenz (Schritt 305) umfassen.
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Die Bestimmung des Stroms 205 kann in einer anderen Ausführungsform auch seitens der Ansteuervorrichtung 130 durchgeführt werden. Anschließend wird der bestimmte Strom der Steuervorrichtung 135 übermittelt oder bereitgestellt.
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Zur Bestimmung des Strom 205 auf der Basis des Momentanstroms muss üblicherweise wenigstens bekannt sein, in welchem Zeitintervall 220 sich das Dithering zum Zeitpunkt der Bestimmung des Momentanstroms befand. Die Dithering-Komponente 215 kann dann beispielsweise in Kenntnis der Kurvenform und der Periodendauer 225 bzw. der Variablen k im Beispiel von 2 als Absolutwert rechnerisch bestimmt werden. Der gewünschte Betrag des Stroms 205 kann dann auf der Basis des Momentanstroms abzüglich der Dithering-Komponente 215 bestimmt werden.
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Es ist bevorzugt, dass lediglich ein Dithering-Parameter, der einer individuellen Strombestimmung zugrunde liegt, zusammen mit dem Momentanstrom seitens der Ansteuervorrichtung 130 nach außen bereitgestellt wird. Insbesondere kann der Dithering-Parameter als numerischer Index bereitgestellt sein, der auf das Zeitintervall 220 hinweist, in dem die Bestimmung des Momentanstroms erfolgte. Der Index wird bevorzugterweise seitens der Ansteuervorrichtung 130 nach jeder Periode 225 auf einen vorbestimmten Wert zurückgesetzt und im Folgenden in jedem Zeitintervall 220 inkrementiert. Ist die Schnittstelle 140 beispielsweise als SPI-Bus ausgebildet, so können eines oder mehrere Register zur Bereitstellung des Momentanstroms und eines oder mehrere weitere Register zur Bereitstellung des Index bereitgestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- Verbraucher
- 110
- Spule
- 115
- Anker
- 120
- Kolben
- 125
- Stromquelle
- 130
- Ansteuervorrichtung
- 135
- Steuervorrichtung
- 140
- Schnittstelle
- 145
- Verarbeitungseinrichtung
- 150
- Verarbeitungseinrichtung
- 155
- Stromsteuerung
- 160
- Abtastvorrichtung
- 165
- Längswiderstand
- 205
- Strom
- 210
- Gleichstromkomponente
- 215
- Dithering-Komponente
- 220
- Zeitintervall
- 225
- Periodendauer
- 230
- Amplitude
- 235
- Schrittweite
- 300
- Verfahren
- 305
- Dithering-Parameter bestimmen
- 310
- Dithering-Parameter übernehmen / aktivieren
- 315
- Gleichstromkomponente bestimmen
- 320
- Gleichstromkomponente übernehmen / aktivieren
- 325
- Strombestimmung anfordern
- 330
- Strombestimmung durchführen
- 335
- bestimmten Momentanstrom und wenigstens einen Dithering-Parameter übermitteln
- 340
- Strom bestimmen
