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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, einen elektronischen Regler zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff von Anspruch 9 sowie die Verwendung des elektronischen Reglers in einem Kraftfahrzeugregelsystem nach Anspruch 10.
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Im Stand der Technik werden Verbraucher in Kraftfahrzeugregelsystemen, wie z.B. ein Motor oder ein Ventil, mittels Pulsweitenmodulation angesteuert bzw. geregelt. Dabei sind zur Überwachung von Fehlfunktionen redundante Messmittel bekannt.
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Insbesondere sind elektronische Regler bekannt, bei denen mehrere Halbbrücken in Stufen verwendet werden, die jeweils einen ersten Transistor (High-Side-Treiber) und einen zweiten Transistor (Low-Side-Treiber) mit jeweils einer ersten Strommessschaltung und einer zweiten Strommessschaltung aufweisen. Die erste Strommessschaltung ist dabei dem ersten Transistor und die zweite Strommessschaltung dem zweiten Transistor zugeordnet. Über die erste Strommessschaltung wird eine Regelung des Verbrauchers, z.B. eines Motors oder eines Ventils, durchgeführt. Dafür weist die Strommessschaltung einen ersten Messwiderstand, einen Analog-/Digitalwandler und ein Filter auf. Die zweite Strommessschaltung weist einen zweiten Messwiderstand und ebenfalls einen Analog-/Digitalwandler und ein Filter auf. Die an den Messwiderständen gemessenen analogen Strom-Signale werden mittels des Analog-/Digitalwandlers in digitale Signale umgewandelt. Anschließend werden mittels des Filters Mittelwertströme ermittelt. Diese Mittelwertströme sind dabei auf die Ströme bezogen, die während einer Einschaltphase des Transistors und während einer Ausschaltphase des Transistors gemessen werden, wobei während der Ausschaltphase der Strom über eine Diode rezirkuliert.
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Die an den einzelnen Stufen ermittelten Ströme werden durch die redundanten Strommessschaltungen für eine Überwachung von Fehlfunktionen herangezogen. Dabei werden die Ergebnisse der ersten Strommessschaltung und der zweiten Strommessschaltung jeder Stufe miteinander verglichen und das System abgeschaltet, sollte eine Abweichung außerhalb eines Toleranzbereichs erkannt werden.
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Nachteilig ist, dass die Messwiderstände (z.B. sog. Shunts) und die Transistoren verhältnismäßig teure Bauteile sind.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstigere Alternative für das Verfahren und für den Regler vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß weist ein elektronischer Regler zur Ansteuerung eines Verbrauchers, z.B. eines Motors oder eines Ventils, mindestens eine Ansteuerschaltung, mindestens zwei erste Transistoren und mindestens einen zweiten Transistor sowie mindestens zwei erste Strommessschaltungen und eine zweite Strommessschaltung auf. Für jede Stufe ist demnach ein erster Transistor vorgesehen, während der zweite Transistor allen Stufen zugeordnet ist. Die Anzahl der Strommessschaltungen entspricht bevorzugt der Anzahl der Transistoren. Jedem Transistor ist somit eine Strommessschaltung zugeordnet, wobei den ersten Transistoren jeweils eine erste Strommessschaltung und dem zweiten Transistor jeweils eine zweite Strommessschaltung zugeordnet ist.
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Die Strommessschaltungen weisen jeweils einen Messwiderstand auf. Dabei ist den ersten Strommessschaltungen jeweils ein erster Messwiderstand zugeordnet und ein zweiter Messwiderstand ist der zweiten Strommessschaltung zugeordnet. Mittels der Ansteuerschaltung wird durch Pulsweitenmodulation ein Laststrom für das Betreiben des Verbrauchers eingeregelt. An den Messwiderständen werden dabei die Lastströme gemessen, um die Regelung zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung werden ein erster Summenlaststrom der ersten Strommessschaltungen und ein zweiter Summenlaststrom der zweiten Strommessschaltung ermittelt. Anschließend werden der erste Summenlaststrom und der zweite Summenlaststrom miteinander verglichen. Wird eine Abweichung erkannt, welche außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, wird auf eine Fehlfunktion geschlossen. Das System kann dann abgeschaltet werden, um auf Rückfallfunktionen zurückgreifen zu können.
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Durch die Erfindung können vorteilhaft Bauteile entfallen, nämlich Transistoren und Messwiderstände im Low-Side-Pfad. Insbesondere können bis auf einen Transistor und einen Messwiderstand alle weiteren Transistoren und Messwiderstände im Low-Side-Pfad entfallen. Dadurch können signifikante Kosten eingespart werden, ohne dass auf die Überwachungsfunktion verzichtet werden muss. Die Erfindung kann z.B. angewendet werden, um einen Batteriestrom zu bestimmen und zu überwachen.
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Die ersten Messwiderstände sind bevorzugt – wie gemäß Stand der Technik – innerhalb des Rezirkulationspfads angeordnet, während der zweite Messwiderstand bevorzugt außerhalb des Rezirkulationspfades angeordnet ist. Somit misst der zweite Messwiderstand keinen Strom während der Ausschaltphase des ersten Transistors. Die Ströme aller Ventilstufen überlagern sich in dem zweiten Messwiderstand während der Einschaltphase, so dass hier die Summe der Ströme aller Stufen messbar ist.
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Die ersten Transistoren können als High-Side-Treiber und der zweite Transistor als Low-Side-Treiber ausgebildet sein. Jedoch ist auch eine umgekehrte Lösung möglich, so dass die ersten Transistoren als Low-Side-Treiber und der zweite Transistor als High-Side-Treiber ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Transistoren mittels PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuert. Die einzelnen Pfade können dabei jedoch auch einen Duty Cycle (die Zeit einer Periode, in welcher die technische Größe – z.B. Spannung – „an“ ist) von 100% aufweisen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Kraftfahrzeugsystem ein Luftfedersystem und die Verbraucher werden zur Regelung der Luftzufuhr für die Luftfedern herangezogen.
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Die Schaltungen können speziell bei Dämpferstufen von Luftfedersystemen leicht überhitzen, daher sind die Transistoren bzw. Treiber bevorzugt auf einer Leiterplatte untergebracht und besonders bevorzugt werden Shunt-Widerstände als Messwiderstände verwendet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst ein weiterer Schritt des Verfahrens das Ermitteln des ersten Summenlaststroms aus dem Laststrom während einer Einschaltphase des ersten Transistors und einem künstlich erzeugten Signal in einer Ausschaltphase des Transistors. Damit wird ein Vergleich für die Überwachung möglich.
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Im Detail ist das Verfahren bzw. der Regler folgendermaßen weitergebildet: Dem ermittelten zweiten Summenlaststrom stehen Signale an den ersten Messwiderständen der unterschiedlichen Stufen gegenüber, wobei der zweite Summenlaststrom nicht den Strom der Rezirkulationsphase bzw. Ausschaltphase enthält. Um dennoch einen Vergleich und damit eine Überwachung möglich zu machen, wird bevorzugt am High-Side-Pfad ein zusammengesetztes Signal erzeugt. Um das Signal vergleichbar zu machen mit dem zweiten Summenlaststrom, wird der Laststrom der Ausschaltphase durch ein künstlich erzeugtes Signal ersetzt, während für die Einschaltphase weiterhin der Laststrom vom ersten Messwiderstand herangezogen wird. Besonders bevorzugt hat das künstlich erzeugte Signal einen Strom von 0 Ampere, da dies dem gemessenen Strom in der Ausschaltphase bzw. Rezirkulationsphase am zweiten Messwiderstand entspricht.
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Insbesondere bevorzugt ist der Regler dabei derart aufgebaut, dass das Signal des Messwiderstands einem Multiplexer zugeführt wird, welcher während der Einschaltphase das Signal des Messwiderstands an ein Filter überträgt und während der Ausschaltphase das künstlich erzeugte Signal. Es wird dadurch das Stromsignal des Low-Side-Pfades im High-Side-Pfad simuliert, welches dann für die Überwachung herangezogen werden kann.
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Bevorzugt wird zudem die Summe aus den Strömen der einzelnen Stufen gebildet, so dass ein erster Summenstrom entsteht, der mit dem zweiten Summenstrom (des Low-Side-Pfades) verglichen werden kann. Die Auswertung mittels Vergleich und Feststellung, ob eine ermittelte Abweichung außerhalb eines Toleranzbereichs liegt, wird bevorzugt mittels eines Mikrocontrollers durchgeführt.
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Durch diese Vorgehensweise kann vorteilhaft eine Plausibilisierung mittels des Summenstroms vorgenommen werden, welche eine Überwachung ermöglicht und gleichzeitig Bauteile einspart.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die ersten und zweiten Strommessschaltungen jeweils mindestens einen Analog-/Digitalwandler und ein erstes Filter auf. Der zugehörige Messwiderstand misst ein analoges Messsignal des Laststroms am Widerstand. Dieses analoge Signal wird gemäß der Weiterbildung mittels des Analog-/Digitalwandlers in ein digitales Messsignal umgewandelt. Das erste Filter bildet anschließend aus den digitalen Messsignalen einen Mittelwertstrom über einen vordefinierten Zeitraum. Bevorzugt ist das erste Filter als FIR-Filter (finite impulse response filter, Filter mit endlicher Impulsantwort), insbesondere als CIC-Filter (Cascaded-Integrator-Comb-Filter), ausgebildet. Derartige Filter können vorteilhaft Mittelwerte über eine in der Länge begrenzte Impulsantwort, also einen Mittelwert über eine fest definierte Zeit, bereitstellen.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Frequenz der PWM-Ansteuerung umschaltbar. Bei Umschaltung der Frequenz ändert sich das Verhältnis zwischen dem Messintervall (vordefinierter Zeitraum) zur PWM-Periode. Besonders bevorzugt ist der vordefinierte Zeitraum eine oder zwei PWM-Perioden lang. Insbesondere ist der vordefinierte Zeitraum immer eine PWM-Periode lang außer bei Betrieb mit der höchsten Frequenz, bei welcher der vordefinierte Zeitraum zwei PWM-Perioden lang ist.
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Über die vordefinierten Zeiträume findet dann die Mittelwertbildung mittels der Filter statt.
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Gemäß der Weiterbildung der Erfindung werden aus den Mittelwertströmen anschließend Summenlastströme bestimmt. Dabei entspricht der zweite Summenlaststrom dem Mittelwertstrom an der zweiten Strommessschaltung. Der erste Summenlaststrom wird bevorzugt durch Bildung der Summe über die Mittelwertströme der einzelnen Stufen ermittelt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die Messintervalle der ersten Filter der ersten Strommessschaltungen mit den Messintervallen der ersten Filter der zweiten Strommesschaltung synchronisiert. Dafür werden die Messungen bevorzugt gleichzeitig gestartet, so dass sich das zeitliche Messfenster für die erste und die zweite Strommessschaltung immer in dem selben Zeitintervall befindet und somit die Vergleichbarkeit zwischen den Summenströmen gegeben ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die ersten Strommessschaltungen für die Ansteuerschaltung jeweils mindestens ein zweites Filter auf. Das Signal des Analog-Digitalwandlers wird gemäß der Weiterbildung zum zweiten Filter übertragen und der Laststrom für den Verbraucher mittels des Signals am Ausgang des zweiten Filters geregelt. Das Signal am Ausgang des zweiten Filters entspricht dem Mittelwert des Stroms durch die Last. Dieser Wert wird verwendet, um eine Stromregelung durchzuführen. Der Strom am Ausgang des zweiten Filters wird gemessen und mit dem Sollstrom verglichen. Anschließend wird ein Tastgrad für die Pulsweitenmodulation berechnet. Durch die Regelung des Laststroms wird der Verbraucher in einer vorgegebenen, gewünschten Weise angetrieben. Besonders bevorzugt ist auch das zweite Filter ein FIR-Filter, insbesondere ein CIC-Filter.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Analog-/Digitalwandler als Sigma-Delta-Modulatoren ausgebildet, welche die Strommessung des Laststroms durch eine Überabtastung des analogen Messsignals durchführen, wobei die Taktrate der Sigma-Delta-Modulatoren dabei bevorzugt deutlich größer ist als die Frequenz der Pulsweiten-Modulation.
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Der Einsatz eines Sigma-Delta-Modulators hat zum einen den Vorteil, dass ein Laststrom durch Überabtastung eines analogen Messsignals des Laststroms gemessen werden kann, wodurch mehrere Stromwerte pro PWM-Periode erfasst werden und somit Formfehler verringert oder vermieden werden können. Zum anderen sind Sigma-Delta-Modulatoren relativ kostengünstig, weil ihr Auflösungsvermögen nicht nur von der Ordnung abhängt, sondern vor allem von der Taktrate, mit welcher diese betrieben werden und somit auch Modulatoren kleiner Ordnung verwendet werden können. So ist es bevorzugt, mindestens einen 1-bit Sigma-Delta-Modulator zur Strommessung einzusetzen, welcher besonders wenige Halbleiterelemente erfordert, damit günstig ist und dennoch eine hohe Auflösung über die Taktrate erreichen kann. Aufgrund dessen, dass solch ein Analog-/Digitalwandler relativ kostengünstig ist, kann davon zweckmäßigerweise mindestens einer in jeder Strommessschaltung, insbesondere jeweils einer pro PWM-Pfad, verwendet werden.
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Auf Grund dessen, dass in der Literatur neben dem Begriff „Sigma-Delta-Modulator“ auch der Begriff „Delta-Sigma-Modulator“ für im Wesentlichen gleiche Analog-/Digital-wandler verwendet wird und über die korrekte Namensgebung keine erkennbar einheitliche Meinung vorherrscht, werden unter dem Begriff des „Sigma-Delta-Modulators“ beide Begriffe und mögliche technische Ausführungen, welche einem oder beiden Begriffen zugeordnet werden beziehungsweise zugeordnet werden können, verstanden.
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Der mindestens eine Sigma-Delta-Modulator der elektronischen Strommessschaltung des elektronischen Reglers führt zweckmäßigerweise eine Strommessung des Laststroms durch eine Überabtastung des analogen Messsignals des Laststroms durch, bei der die Taktrate des Sigma-Delta-Modulators deutlich größer ist als die Frequenz der Puls-Weiten-Modulation. Durch diese Maßnahme werden Formfehler weitgehend vermieden bzw. verringert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Strommessschaltungen jeweils einen Multiplexer auf, welche eingangsseitig mit dem Analog-/Digitalwandler und ausgangsseitig mit dem ersten Filter verbunden ist. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Signale am Multiplexer verzögert und somit zeitlich verzögert zum ersten Filter übertragen. Damit wird ein Ausgleich erreicht, welcher der in der Praxis auftretenden Verzögerung zwischen Gate-Ansteuerung des Transistors und dem tatsächlichen Durchschalten der Treiberstufe Rechnung trägt. Unter einem Ausgangssignal bzw. einer Signalübertragung werden auch ein Datensignal und Ausgangdaten bzw. eine Datenübertragung verstanden.
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Unter einem Messsignal des Laststroms wird ein Signal verstanden, welches vom Laststrom abhängig ist und vorzugsweise durch Skalierung des Laststroms erzeugt wird, wie beispielsweise mittels eines Sense-FETs und/oder welches insbesondere ein Spannungssignal ist, das über einem Shunt abgreifbar ist, der vom Laststrom durchflossen wird. Besonders bevorzugt fallen Signale unter diesen Begriff, welche den zeitlichen Verlauf einer Messgröße des Laststroms abbilden oder bezüglich mindestens einer Größe vom Laststrom abhängig sind. Alternativ fällt unter oben genannten Begriff auch das Laststromsignal an sich oder vorzugsweise ein anderes vom Laststrom abhängiges Signal, welches zur Messung des Laststroms vorgesehen ist.
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Es ist zweckmäßig, dass der mindestens eine Sigma-Delta-Modulator, insbesondere jeweils, aus einem Regelkreis besteht, welcher ein Integratorelement, insbesondere einen Integrator, besonders bevorzugt einen Kondensator oder ein anderes Bauelement oder eine elektronische Schaltung mit entsprechendem elektrischen Verhalten, einen Komparator und eine, insbesondere steuerbare, schaltbare Stromquelle aufweist. Diese schaltbare Stromquelle ist besonders bevorzugt so ausgebildet, dass sie verschiedene diskrete Stromwerte treiben kann und zwischen diesen verschiedenen Stromwerte umgeschaltet werden kann. Ganz besonders bevorzugt besteht diese schaltbare Stromquelle aus einer Parallelschaltung von Stromquellen, deren Ströme in definierter Weise addiert werden können und dieser Vorgang insbesondere vorzugsweise schaltbar ist.
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Die Merkmale des elektronischen Reglers, sowie die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind bevorzugt auch Merkmale, welche im Zuge des Verfahrens durchgeführt werden können.
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Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des elektronischen Reglers in einem Kraftfahrzeugregelungssystem.
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Der erfindungsgemäße elektronische Regler sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt in Dämpfern und/oder Luftfedersystemen eingesetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt die Ansteuerung und Überwachung der Ventilstufen in den Dämpfern und/oder Luftfedersystem realisiert.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren.
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Es zeigen in schematischer Darstellung
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1 eine Schaltung in einem Regler mit mehreren Stufen gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Strommessschaltung gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine Schaltung in einem Regler mit mehreren Stufen gemäß der Erfindung,
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4 ein Beispiel für Ventilströme im High-Side-Pfad und den Summenstrom im Low-Side-Pfad, sowie
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5 eine Strommessschaltung gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine Schaltung 1 zur Regelung des Stroms in einem Verbraucher und zur Überwachung der Regelung gemäß dem Stand der Technik. Die Schaltung 1 zeigt drei Stufen 1a, 1b, 1c, z.B. Ventilstufen, die jeweils einen ersten Transistor 3 (High-Side-Treiber) und einen zweiten Transistor 5 (Low-Side-Treiber) umfassen. Die Stufen umfassen zudem jeweils Messwiderstände 7 und 9, wobei der Messwiderstand 7 dem ersten Transistor 3, bzw. dem High-Side-Pfad, und der Messwiderstand 9 dem zweiten Transistor 5, bzw. dem Low-Side-Pfad, zugeordnet ist. Der Strom kann ausgehend von dem Transistor 3 über den Messwiderstand 7, eine Spule 11 und den Messwiderstand 9 über eine Diode 13 rezirkulieren.
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Für die Implementierung einer Stromregelung muss der Spulenstrom gemessen werden. Dies kann über die Messwiderstände 7 oder 9 erfolgen. Der jeweils andere Messwiderstand ist für eine redundante Messung vorgesehen, um Fehlfunktionen zu erkennen. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Messwiderstand 7 für die Regelung und der Messwiderstand 9 für die Fehlererkennung verwendet wird. Transistor 3 wird durch ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal angesteuert. Transistor 5 ist während der normalen Funktion immer eingeschaltet und dient im Fall einer Fehlfunktion als redundanter Abschaltpfad.
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Um den Strom zu ermitteln, kann eine erste Strommessschaltung 15 des High-Side-Pfads vorhanden sein, welche vorliegend den Messwiderstand 7, sowie die in 2 abgebildeten Komponenten umfasst. Eine gleichartig aufgebaute Strommesschaltung 17 mit Messwiderstand 9 ist für den Low-Side-Pfad vorgesehen und umfasst ebenfalls die Komponenten in 2.
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2 zeigt eine Strommessschaltung 15, 17 mit Messwiderstand 7, 9 gemäß Stand der Technik. Zudem umfassen die Strommessschaltungen 15, 17 jeweils einen Analog-/Digitalwandler 19, ein Filter 21 und einen Messverstärker 23.
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Durch Vergleich der am Ausgang des Filters 21 erhaltenen Signale ist es möglich, eine Abweichung zwischen beiden Signalen zu erhalten. Befindet sich die Abweichung außerhalb einer vorgegebenen Toleranz, so kann das System abgeschaltet werden.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 100. In der Schaltung 100 sind ebenfalls drei Stufen 100a, 100b und 100c vorhanden. Die Stufen 100a, 100b und 100c umfassen jeweils einen ersten Transistor 103 und einen gemeinsamen zweiten Transistor 105. Den ersten Transistoren 103, bzw. dem High-Side-Pfad, ist jeweils ein erster Messwiderstand 107 zugeordnet. Dem Low-Side-Pfad, bzw. dem zweiten Transistor 105 ist ein zweiter Messwiderstand 109 zugeordnet. Der Strom fließt ausgehend vom ersten Transistor 103 über eine Spule 111 und rezirkuliert in der Abschaltphase über eine Diode 113. Der zweite Messwiderstand 109 befindet sich hierbei außerhalb des Rezirkulationspfades.
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Alle Stufen 100a, 100b und 100c teilen sich den zweiten Transistor 105 und den zweiten Messwiderstand 109. Daher überlagern sich die Ströme der Ventilstufen 100a, 100b und 100c im zweiten Messwiderstand 109. Der Spulenstrom fließt zudem nur dann durch den zweiten Messwiderstand 109, wenn der erste Transistor 103 (High-Side-Treiber) eingeschaltet ist. Ist der Transistor 103 ausgeschaltet, dann rezirkuliert der Strom über die Diode 113 und ist für den zweiten Messwiderstand 109 nicht mehr sichtbar bzw. nicht mehr messbar.
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4 zeigt im oberen Teil einen beispielhaften Stromverlauf bei der Ansteuerung der drei Stufen 100a–c und im unteren Teil den zugehörigen Stromverlauf im zweiten Messwiderstand 109, der sich durch die Überlagerung der Einschaltphasen der ersten Transistor 103 (High-Side-Treibertransistoren) ergibt.
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Die Strommessschaltungen 15, 17 gemäß Stand der Technik in 2 können nur den Mittelwert des Stroms über einen bestimmten Zeitraum messen. Die PWM-Perioden der einzelnen Stufen sind häufig jedoch nicht synchron, sondern in der Phase verschoben, so dass eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Messintervall im zweiten Messwiderstand 109 und den Messungen in den ersten Messwiderständen 103 nicht möglich ist. Damit wäre keine Überwachung möglich.
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Erfindungsgemäß werden jedoch die ersten Strommessschaltungen 115 gemäß 5 ausgebildet. Hier ist der Messpfad gegenüber dem Stand der Technik nach 2 erweitert.
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Am Ausgang des Delta-Sigma Modulators 119 ist ein zweites Filter 121 angeschlossen, dessen Ausgang für die Regelung und die Ansteuerschaltung für den Betrieb des Verbrauchers verwendet wird. Zusätzlich ist am Ausgang des Delta-Sigma Modulators 119 über einen Multiplexer 123 ein weiteres Filter, hier als erstes Filter 125 bezeichnet, angeschlossen. Ist der Transistor 103 eingeschaltet (Signal = 1), dann erhält das erste Filter 125 den Datenstrom vom Delta-Sigma-Modulator 119. Ist der Transistor 103 ausgeschaltet (Signal = 0), dann erhält das erste Filter 125 eine intern erzeugte Signalform (Zero-Pattern) von einem Signalformblock 127, das bevorzugt einem Strom von Null Ampere entspricht. Dadurch erzeugt das erste Filter 125 einen Mittelwert des Ventilstroms, bei dem nur die Einschaltphase eingeht. Der Multiplexer 123 wählt also während der Einschaltphase das Signal vom Modulator 119 und während der Ausschaltphase das Signal vom Signalformblock 127. Dadurch werden mit den gemessenen Signalen an den ersten Messwiderständen 107 Signale erzeugt, welche – über alle Stufen 100a–c summiert – ein Signal am zweiten Messwiderstand 109 simulieren.
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Die Spannung über dem Messwiderstand 107 wird über einen Messverstärker 128 zu dem Delta-Sigma Modulator 119 geführt, der bevorzugt einen 1-Bit-Datenstrom erzeugt. Dieser Datenstrom wird mit dem ersten Filter 125 gefiltert. Synchronisiert man diese Filteroperation mit der PWM-Ansteuerung des High-Side-Treibers 103, dann erhält man durch dieses Vorgehen den Mittelwert des Stroms in der Spule 111 über ein definiertes Messintervall (vordefinierter Zeitraum).
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Bevorzugt wird das Messintervall des ersten Filters 125 mit dem Messintervall des Stroms über den zweiten Messwiderstand 109 synchronisiert, so dass man mit dem ersten Filter 125 den Anteil von einer einzelnen Stufe am 100a–c am Summenstrom misst.
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Alle Stufen 100a–c sind um die zusätzlichen Komponenten der Strommessschaltung 115 erweitert, so dass für jede Stufe 100a–c an den ersten Filtern 125 Mittelwerte für die (simulierten) Ströme ermittelt werden. Danach erfolgt bevorzugt die Berechnung der Summe aus diesen Strömen der einzelnen Stufen 100a–c, um den ersten Summenlaststrom zu ermitteln. Die Summe aus den Mittelwertströmen aller Stufen 100a–c entspricht dann dem Mittelwert des Summenstroms am zweiten Messwiderstand 109 (zweiter Summenlaststrom), wenn keine Fehlfunktion vorliegt. Durch Vergleich der Summenlastströme kann eine Abweichung festgestellt werden. Bei einer Abweichung, die außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt, werden bevorzugt Maßnahmen eingeleitet, wie z.B. das System abgeschaltet. Damit kann ein hohes Sicherheitsniveau behalten werden.
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Bevorzugt werden somit für die Ermittlung des ersten Summenlaststroms jeweils u.a. folgende Schritte durchgeführt:
- – Zuführung der digitalen Messsignale von dem jeweiligen Analog-/Digitalwandler 119 zu dem zugeordneten ersten Filter 125 während einer Einschaltphase des zugehörigen Transistors 103 und
- – Ersetzen des digitalen Messsignals durch künstlich erzeugte Signale, insbesondere vom Signalformblock 127, während einer Ausschaltphase des zugehörigen Transistors 103 mittels des Multiplexers 123.
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Am Ausgang des ersten Filters 125 liegt somit der Mittelwert des Laststroms der Einschaltphase der jeweiligen Stufe 100a–c an. Die zweite Strommessschaltung 117 im Low-Side-Pfad entspricht der zweiten Strommessschaltung 17 gemäß 2. Als erstes Filter weist die zweite Strommessschaltung 117 daher das Filter 21 auf und als Analog-/Digitalwandler weist die zweite Strommessschaltung den Analog-/Digitalwandler 19 auf. Die Summe der Lastströme des High-Side-Pfades aus den Stufen 100a–c (Ausgangssignale der ersten Filter 125) wird mit dem Ausgangssignal des Filters 21 des Low-Side-Pfades verglichen. Das Ausgangssignal des Filters 21 ist ebenfalls ein Summensignal über alle Stufen 100a–c, da sich alle Stufen 100a–c den zweiten Transistor 105 und damit auch die zweite Strommessschaltung 117 teilen. Dadurch findet eine Überlagerung der Ströme der einzelnen Stufen 100a–c statt.
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Der Vergleich der Summenlastströme wird bevorzugt mittels einer Implementierung in Software und/oder Hardware durchgeführt, z.B. mittels eines Mikrocontrollers (nicht gezeigt). Die ersten Filter 125 und/oder die zweiten Filter 121 sind bevorzugt als digitale Tiefpassfilter, besonders bevorzugt FIR-Filter, also Filter mit endlicher Impulsantwort, ausgebildet. Insbesondere sind die ersten Filter 125 und/oder die zweiten Filter 121 als CIC-Filter ausgebildet. Dadurch ist es möglich, den Mittelwert über eine fest definierte Zeit, zu messen.
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Durch den Multiplexer 123 in 5 wird der Stromanteil in der Rezirkulationsphase mit dem Gate-Ansteuerungssignal an Transistor 103 (Gate) ausgeblendet. In der Praxis gibt es in einer realen Transistorschaltung häufig eine Verzögerung zwischen der Gate-Ansteuerung des Transistors und dem tatsächlichen Durchschalten der Treiberstufe. Um diese Verzögerung auch an dem Multiplexer 123 auszugleichen bzw. nachzubilden, ist bevorzugt ein Verzögerungsblock (Delay) 129 einfügt, der diesen Effekt in der digitalen Implementierung nachbildet.
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Eine mögliche Fehlerquelle, der zeitliche Versatz zwischen analoger Ansteuerung der Treibertransistoren und der Ansteuerung des Multiplexers, wird durch den Verzögerungsblock reduziert.
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Durch die Variation der Versorgungsspannung und der Temperatur verändern sich die Kurvenverläufe deutlich. Kann ein Strom nur in der Einschaltphase gemessen werden, dann ist der Messwert sehr stark von Versorgungsspannung, Stromhöhe und Temperatur abhängig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren spielen diese Effekte keine Rolle, da sie für beide Messpfade gleich sind.
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Die Erfindung ist einsetzbar für Anwendungen, bei denen induktive Lasten durch eine Pulsweitenmodulation angesteuert werden müssen. Z.B. kann die Erfindung Anwendung finden bei der Ansteuerung von Ventilstufen in Luftfeder- und/oder Dämpfersystemen, in ABS oder ESC System, bei der Ansteuerung von Motoren der elektrischen Parkbremse oder bei der Ansteuerung von Booster-Ventilstufen.
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Bezugszeichenliste
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Stand der Technik:
- 1
- Schaltung
- 1a, 1b, 1c
- Stufen der Schaltung 1
- 3
- erster Transistor (High-Side-Treiber)
- 5
- zweiter Transistor (Low-Side-Treiber)
- 7
- Messwiderstand
- 9
- Messwiderstand
- 11
- Spule
- 13
- Diode
- 15
- Strommessschaltung
- 17
- Strommessschaltung
- 19
- Analog-/Digitalwandler
- 21
- Filter
- 23
- Messverstärker
Erfindung: - 100
- Schaltung
- 100a–c
- Stufen der Schaltung 100
- 103
- erster Transistor (High-Side-Treiber)
- 105
- zweiter Transistor (Low-Side-Treiber)
- 107
- erster Messwiderstand (High-Side-Pfad)
- 109
- zweiter Messwiderstand (Low-Side-Pfad)
- 111
- Spule
- 113
- Diode
- 115
- erste Strommessschaltung (High-Side-Pfad)
- 117
- zweite Strommessschaltung (Low-Side-Pfad)
- 119
- Analog-/Digitalwandler bzw. Delta-Sigma Modulator
- 121
- zweites Filter (Teil der Ansteuerschaltung)
- 123
- Multiplexer
- 125
- erstes Filter
- 127
- Signalformblock
- 128
- Messverstärker
- 129
- Verzögerungsblock (Delay)
