DE102017219633B3 - Verfahren zur Prüfung der Plausibilität von Messungen eines Aktuatorstroms und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Plausibilitätsprüfung der Messung eines Aktuatorstromes (i_A) durch einen Aktuatorzweipol (1) umfassend eine induktive Last (L) und eine ohmsche Last (R), wobei ein erster Pol (1.1) des Aktuatorzweipols (1) über einen pulsweitenmodulierten Schalter (3) mit einer Versorgungsspannung (U₀) und über eine in Sperrrichtung angeordnete Freilaufdiode (2) mit der Masse (M) verbunden wird, wobei ein zweiter Pol (1.2) des Aktuatorzweipols (1) mit der Masse (M) verbunden wird, wobei Messwerte (I_S(T_V,i)) für einen mittleren summarischen Strom (I_S) durch den Schalter (3) und Messwerte (I_A(T_V,i)) für einen mittleren Aktuatorstrom (I_A) durch den zweiten Pol (1.2) bei mindestens drei verschiedenen Tastverhältnissen (T_V,i,i =1 ...N,N ≥ 3) der Pulsweitenmodulation des Schalters (3) im eingeschwungenen Zustand erfasst werden, wobei eine Abhängigkeit des mittleren summarischen Stroms (I_S(T_V)) vom Tastverhältnis (T_V) durch ein an die mindestens drei Messwerte (I_S(T_V,i),i =1...N) für den mittleren summarischen Strom (I_S) angepasstes Summenstrompolynom (I_S(T_V; T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) mit Polynomkoeffizienten (a_S,0,a_S,1,...a_S.N-1) und eine Abhängigkeit des mittleren Aktuatorstroms (I_A(T_V)) vom Tastverhältnis (T_V) durch ein an die mindestens drei Messwerte (I_A(T_V,i),i=1...N) für den mittleren Aktuatorstrom (I_A) angepasstes Aktuatorstrompolynom (Î_A(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) mit Polynomkoeffizienten (a_A.0,a_A.1,...a_A.N-1) genähert wird, wobei eine betragsmäßige Abweichung des Aktuatorstrompolynoms (Î_A(T_V; T_V,1, T_V,2,...T_V,N)) vom Summenstrompolynom (Î_S(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) für das Tastverhältnis Eins (T_V =1) und für das Tastverhältnis Null (T_V=0) berechnet und gegen vorbestimmte korrespondierende Toleranzen verglichen wird und wobei eine Inplausibilität der Messung des Aktuatorstromes (i_A) dann bestimmt wird, wenn mindestens eine der vorbestimmten Toleranzen überschritten ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Plausibilität von Messungen eines Stromes, mit dem eine elektrohydraulische oder elektromechanische Vorrichtung, im Folgenden als Aktuator bezeichnet, angesteuert wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Prüfung der Plausibilität einer Strommessung in Aktuatoren in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise elektrisch gesteuerte Ventile oder elektrohydraulisch betätigte Gangsteller in Automatikgetrieben.
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, nach denen Aktuatoren mit einem periodischen Steuersignal durch Pulsweitenmodulation einer angelegten Spannung angesteuert werden, wobei das Tastverhältnis als Verhältnis der Pulsweite zur Periodendauer variiert wird. Ein entsprechend dem Tastverhältnis sich einstellender mittlerer Strom durch den Aktuator wird mittels einer Messschaltung erfasst. Messschaltungen zur Stromerfassung, beispielsweise mittels Spannungsmessung über einem Shuntwiderstand mit einem bekannten, rein Ohmschen Widerstandswert, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
• Zur Plausibilisierung der Strommessung wird bei Verfahren aus dem Stand der Technik ein vorbestimmtes Tastverhältnis eingestellt, der dabei sich einstellende mittlere Aktuatorstrom gemessen und mit einem Referenzwert verglichen. Liegt die gemessene Stromstärke außerhalb eines Toleranzbereichs um den Referenzwert, so wird die Strommessung als unplausibel erkannt. Mögliche Ursachen für eine unplausible Strommessung können in der Alterung von Bauelementen, Kurzschlüssen nach Masse oder nach der Versorgungsspannung oder in temperaturbedingten Parameteränderungen liegen.
• Verfahren zur Plausibilitätsprüfung der Messung eines Aktuatorstromes aus dem Stand der Technik sind aus DE 10 2012 203 940 A1 , DE 10 2012 215 155 A1 und US 2005 /0 002 143 A1 bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Plausibilisierung einer Strommessung bei Aktoren anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Stromes durch einen Aktuator mit einer induktiven Last anzugeben, welches unabhängig von Einflussparametern wie Versorgungsspannung, Temperatur oder Alterung und unabhängig von der induktiven Last und/oder Ohmschen Last eines Aktuators und somit auch für Aktuatoren verschiedener Bauart eine Plausibilisierung mit einem engen Toleranzbereich ermöglicht.
• Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Plausibilisierung einer Strommessung eines Aktors findet insbesondere Anwendung bei Magnetventilen, insbesondere bei einem Hubmagnetventil, einem Schnellschaltventil, einem elektromagnetischen Proportionalventil, einem elektromagnetischen Schwarz-Weiß-Ventil, einem elektromagnetischen Injektor oder einem Gangstellerventil.
• Details und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 schematisch eine Ansteuerschaltung für einen Aktuator nach dem Stand der Technik,
• 2 schematisch ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Aktuators
• 3 schematisch den zeitlichen Verlauf eines summarischen Stroms und eines Aktuatorstroms bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Aktuators,
• 4A, 4B schematisch den Verlauf des mittleren Aktuatorstroms und des mittleren summarischen Stroms abhängig von einem Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Ansteuerung für zwei verschiedene Verhältnisse t_PWM zu Tau und
• 5 schematisch eine Anordnung zur Ermittlung eines Strommesswerts.
• Einander entsprechende Teile und/oder physikalische Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Steuergerät 10 für einen Aktuator 1. Das Steuergerät 10 umfasst einen Microcontroller 11 und eine Treiber- und Messschaltung 12. Der Microcontroller 11 generiert ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal 13 zur Ansteuerung des Aktuators 1. Das Steuergerät 10 versorgt den Aktuator 1 mit einem Strom, der proportional zu einem Tastverhältnis T_v des pulsweitenmodulierten Steuersignals 13 ist. Der Strom durch den Aktuator 1 wird durch die Treiber- und Messschaltung 12 zweimal erfasst, wobei sich die erfassten Ströme derart unterscheiden, dass das Strommesssignal 14a den Strom über die Freilaufdiode 2 während der Öffnungsdauer t_aus des Schalters 3 umfasst und das Strommesssignal 14b den Strom über die Freilaufdiode 2 während der Öffnungsdauer t_aus des Schalters 3 nicht umfasst. Die Treiber- und Messschaltung 12 gibt das Strommesssignal 14a und das Strommesssignal 14b an den Microcontroller 11 weiter. Der Microcontroller 11 berechnet aus den bei jeweils drei unterschiedlichen Tastverhältnissen T_V gemessenen Strommesssignalen 14a, 14b den Verlauf beider Strommesssignale bei Tv=0 und Tv=1. Eine inplausible Strommessung wird erkannt, wenn die berechneten Werte bei Tv=0 oder Tv=1 zu sehr voneinander abweichen.
• 2 zeigt Teile des Steuergeräts 10 im Detail. Das vom Microcontroller 11 generierte pulsweitenmodulierte Steuersignal 13 steuert einen Schalter 3 der Treiber- und Messschaltung 12 an, wobei der Schalter 3 für die Pulsdauer t_sin des pulsweitenmodulierten Steuersignals 13 geschlossen wird und einen ersten Pol 1.1 des als Aktuatorzweipol 1 ausgebildeten Aktuators 1 über einen ersten Shuntwiderstand R₁ mit der Versorgungsspannung U₀ verbindet. Der erste Pol 1.1 ist zudem über eine in Sperrrichtung geschaltete Freilaufdiode 2 mit der Masse M verbunden.
• Der zweite Pol 1.2 des Aktuatorzweipols 1 ist über einen zweiten Shuntwiderstand R₂ mit der Masse M verbunden.
• Der durch den geschlossenen Schalter 3 fließende Strom fließt durch den Shuntwiderstand R1 (summarischer Strom i_S ) , durch den Aktuator 1 und durch den Shuntwiderstand R2 (Aktuatorstrom i_A ) . Über die zu diesem Zeitpunkt in Sperrrichtung betriebene Freilaufdiode 2 fließt kein Strom (Diodenstrom i_D = 0). Bei geöffneten Schalter 3 fließt kein Strom über den Shuntwiderstand R1 (i_S = 0). Umfasst der Aktuator 1 eine induktive Last L dann fließt der Strom in gleicher Richtung über den Shuntwiderstand R2 (i_A ) und die dann in Durchlassrichtung betriebene Freilaufdiode 2 (i_D ) weiter.
• Der zeitliche Mittelwert I_S des summarischen Stroms i_S wird durch eine erste Messkette 15 erfasst, wobei der Spannungsabfall u über dem ersten Shuntwiderstand R₁ gemessen, einem Glättungstiefpass 4 zugeführt, danach mittels eines Verstärkers 5 verstärkt und einem Filter 6 zur Rauschunterdrückung, wie einem Tiefpass, Antialiasingtiefpass oder Mittelwerttiefpass, zugeführt wird. Vom Ausgang des Antialiasingtiefpass oder Mittelwerttiefpass 6 wird das so gebildete Strommesssignal 14b mit dem mittleren summarischen Strom I_S einem Analog-Digital-Wandler 7 im Microcontroller 11 zugeführt, dort in einen Digitalwert Z(I_S ) diskretisiert und wie im Folgenden näher beschrieben ausgewertet.
• Der zeitliche Mittelwert I_A des Aktuatorstroms i_A wird durch eine zweite Messkette 16 erfasst, wobei der Spannungsabfall u über dem zweiten Shuntwiderstand R₂ gemessen, einem Verstärker 5 zugeführt und in einem Antialiasingfilter oder Mittelwerttiefpass 6 bandbegrenzt und gemittelt wird. Vom Ausgang des Antialiasingtiefpass oder Mittelwerttiefpass 6 wird das so gebildete Strommesssignal 14a mit dem mittleren Aktuatorstrom I_A einem Analog-Digital-Wandler 7 im Microcontroller 11 zugeführt, dort in einen Digitalwert Z(I_A ) diskretisiert und wie im Folgenden näher beschrieben ausgewertet.
• 3 zeigt schematisch den Zeitverlauf des summarischen Stroms i_S und des Aktuatorstroms i_A in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schalters 3 im eingeschwungenen Zustand beispielhaft für ein Tastverhältnis T_V des pulsweitenmodulierten Steuersignals 13 von 80% T_v = 0,8. Dabei entspricht der Wert 1 des Steuersignals 13 einem geschlossenen Schalter 3 mit einer Einschaltdauer t_ein und der Wert 0 des Steuersignals 13 einem geöffneten Schalter 3 einer Ausschaltdauer t_aus und einer daraus resultierenden Periodendauer t_PWM .
• Ist der Schalter 3 während der Pulsdauer t_ein des Steuersignals 13 geschlossen, so fließt durch beide Shuntwiderstände R₁ ,R₂ der gleiche Strom i_S=i_A, da die Freilaufdiode 2 in Sperrrichtung betrieben wird und somit der Diodenstrom i_D=0 null ist.
• Bei geöffnetem Schalter 3, also zwischen den Pulsen des Steuersignals 13, fließt durch den ersten Shuntwiderstand R₁ ab dem Moment des Öffnens des Schalters 3 kein Strom (i_S=0) . Umfasst der Aktuator 1 eine induktive Last L, so klingt der Aktuatorstrom i_A dagegen nur allmählich ab, und zwar nach dem Induktionsgesetz exponentiell mit einer Zeitkonstante $\tau =\frac{L}{R_2+R},$

  

  wobei R>>R₂ die Ohmsche Last R im Aktuator 1 ist. Der abklingende Aktuatorstrom i_A wird ausschließlich durch den Diodenstrom i_D aufgebracht, der bei geöffnetem Schalter 3 die Freilaufdiode 2 in Durchlassrichtung durchfließt.
• Der zeitliche Mittelwert I_A des Aktuatorstroms unterscheidet sich daher vom zeitlichen Mittelwert I_S des summarischen Stroms gerade durch den zeitlichen Mittelwert I_D . des Diodenstroms, der durch die Zeitkonstante τ des exponentiellen Abklingens des Aktuatorstroms i_A , die Öffnungsdauer t_aus des Schalters 3 sowie den Maximalwert i_A,max des Aktuatorstroms i_A am Ende der Einschaltdauer t_sin des Schalters 3 bestimmt wird. Der Maximalwert des Aktuatorstroms i_A.max hängt wiederum von der Einschaltdauer oder Pulsdauer t_sin des Schalters 3 sowie von einer Zeitkonstante $\tau =\frac{L}{R_1+R_2+R}$

  

  ab, in welche die gesamte, bei eingeschaltetem Schalter 3 wirksame Ohmsche Last R₁+R₂+R und die induktive Last L des Aktuators 1 eingeht. Hierbei kann wegen R >> R₁, R >> R₂ als Näherung R₁+R₂+R ≈ R angenommen werden.
• Wie in den 4A, 4B dargestellt, ist somit für jedes Tastverhältnis $T_V=\frac{t_{ein}}{t_{aus}+t_{ein}}=\frac{t_{ein}}{t_{PWM}}$

  

  eines mit der Periodenlänge t_PWM = t_ein+t_aus periodischen, pulsweitenmodulierten Steuersignals 13 im eingeschwungenen Zustand ein zugeordneter mittlerer Aktuatorstrom I_A (T_V ) und ein zugeordneter mittlerer summarischer Strom I_S (T_V ) ermittelbar. 4A zeigt schematisch den Verlauf der mittleren Ströme für eine Periodenlänge t_PWM , die ein Zehntel der Zeitkonstante τ beträgt. 4B zeigt schematisch den Verlauf der mittleren Ströme für eine Periodenlänge t_PWM , die das Hundertfache der Zeitkonstante τ beträgt.
• Der mittlere Aktuatorstrom I_A (T_V ) ist proportional zur Einschaltdauer t_ein und liegt somit auf einer Geraden, die durch die Punkte I_A(T_V=0) =0 und $I_A=\left(T_V=1\right)=\frac{U_o}{R_1+R_2+R}$

  

  bestimmt ist.
• Der mittlere summarische Strom I_S (T_V ) verläuft unterhalb dieser Geraden, wobei die Differenz aus mittlerem Aktuatorstrom und mittlerem summarischem Strom I_A(T_V ) - I_S(T_V ) gerade dem ebenso vom Tastverhältnis T_V abhängigen mittleren Diodenstrom I_D(T_V ) entspricht. Da der Diodenstrom i_D bei dauerhaft geöffnetem Schalter 3 (bei T_V=0) und ebenso bei dauerhaft geschlossenem Schalter 3 (bei T_V=1) null oder vernachlässigbar klein ist, müssen sich bei korrekter oder plausibler Strommessung die Verläufe des mittleren Aktuatorstroms I_A(T_V ) und des mittleren summarischen Stroms I_S(T_V ) für die Tastverhältnisse T_V=0 und T_V=1 treffen oder sehr nahe beieinander liegen. Erfindungsgemäß werden die tatsächlichen, von der Ohmschen Last R (mit den Widerständen R₁ ,R₂,R_A) und von der induktiven Last L abhängigen und daher unbekannten Verläufe der mittleren Ströme I_A(T_V ),I_S(T_V ) jeweils durch ein Polynom Î_A(T_V ; T_V,1 , T_V,2,...T_V,N), Î_S(T_V ; T_V,1, T_V,2,...T_V,N) modelliert. Dazu werden für N als Stützstellen gewählte Tastverhältnisse T_V,i ,i=1,2...N jeweils die mittleren Aktuatorströme I_A (T_V,i) und die mittleren summarischen Ströme I_S (T_V,i ) gemessen.
• Die Koeffizienten a_A.0,a_A.1,...a_A.N-1 des Aktuatorstrompolynoms Î_A(T_V ;T_V,1,T_V,2,...T_V,N) sind so gewählt, dass das Aktuatorstrompolynom an den Stützstellen die gemessenen Aktuatorströme annimmt: Î_A(T_V=T_V,i; T_V,1, T_V,2,...T_V,N)=I_A(T_V,i) .
• Analog sind die Koeffizienten a_S.0,a_S.1,...a_S.N-1 des Summenstrompolynoms Î_S(T_V ; T_V,1, T_V,2,...T_V,N) so gewählt, dass das Summenstrompolynom an den Stützstellen die gemessenen summarischen Ströme annimmt: Î_S(T_V=T_V,i; T_V,1, T_V,2,...T_V,N)=I_S(T_V,i ).
• Verfahren zur effizienten Bestimmung von Polynomkoeffizienten a_A.0,a_A.1,...a_A.N-1, a_S.0, a_S.1,...a_S.N-1 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können die Polynome Î_A(T_V ; T_V,1 ,...T_V,N ), Î_S(T_V ; T_V,1 , T_V,2 ,...T_V,N ) als Newtonsche Polynome formuliert werden, deren Koeffizienten nach dem Verfahren der dividierten Differenzen ermittelt werden können. Somit ergeben sich beispielsweise für N = 3 Stützstellen Polynome zweiten Grades der Form $${\widehat{I}}_A\left(T_V;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)=a_{A\mathrm{,0}}+a_{A\mathrm{,1}}\cdot \left(T_V-T_{V\mathrm{,1}}\right)+a_{A\mathrm{,2}}\cdot \left(T_V-T_{V\mathrm{,1}}\right)\left(T_V-T_{V\mathrm{,2}}\right)$$

  

  $${\widehat{I}}_S\left(T_V;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)=a_{S\mathrm{,0}}+a_{S\mathrm{,1}}\cdot \left(T_V-T_{V\mathrm{,1}}\right)+a_{S\mathrm{,2}}\cdot \left(T_V-T_{V\mathrm{,1}}\right)\left(T_V-T_{V\mathrm{,2}}\right)$$

  

  wobei in die Berechnung der Polynomkoeffizienten die jeweiligen mittleren Stromwerte I_A(T_V,i),I_S(T_V,i ) an den Stützstellen T_V,1, T_V,2, T_V,3 eingehen.
• Der exponentielle Abfall des Aktuatorstroms i_A bei ausgeschaltetem Schalter 3 hängt von der absoluten Ausschaltdauer t_aus ab, wie in 3 zu erkennen ist. Somit ändert sich auch ein mittlerer Summenstrom I_S (T_V ), wenn bei konstantem Tastverhältnis T_V die Periodendauer t_PWM variiert wird.
• Von Bedeutung ist darüber hinaus, dass die Variation des Aktuators 1 bei konstanter Periodendauer t_PWM (dem Summenstrom I_s annähernd) dieselben Stromverläufe zur Folge hat, solange die elektrischen Parameter des Aktuators 1 zur Dimensionierung der Treiber-/Messschaltung 12 passen. Mit anderen Worten: Das Plausibilisierungsverfahren ist für verschiedene Aktuatoren 1, solange diese für die vorhandene Treiber-/Messschaltung 12 geeignet sind, bei konstanter PWM-Frequenz geeignet.
• Ausschlaggebend für eine gut dimensionierte
• Schaltung/Aktuator-Kombination ist das Verhältnis t_PWM/ τ von Periodendauer t_PWM zur Zeitkonstanten τ. Das Verhältnis t_PWM/ τ ist in einer optimal dimensionierten Aktuator-Schaltung:
• 1.) < 1; dies führt zu einem annähernd parabelförmigen Verlauf des mittleren Summenstroms Is (dargestellt in 4A). In der Praxis entspricht dies einem Betrieb mit einem induktiven Aktuator.
oder
• 2.) > 50 oder besser > 100; dies führt zu einem annähernd linearen Verlauf des mittleren Summenstroms Is (dargestellt in 4B). In der Praxis entspricht dies einem Betrieb mit einem ohmschen Aktuator.
• Für beide Verhältnisse kann die Plausibilität vorteilhaft mit kleinen Toleranzen bestimmt werden. Verhältnisse zwischen den beiden oben aufgeführten Verhältnissen, d.h. Verhältnisse im Bereich von 1 < t_PWM/τ < 50 stellen eine eher ungenügend dimensionierte Schaltung/Aktuator-Kombination dar, die in der Praxis zum Beispiel zu Ventilsitzprellen führen kann, was zu vermeiden ist. Wird das Plausibilisierungsverfahren bei einer derartigen Schaltung/Aktuator-Kombination verwendet, führt es selber zu einer mehr oder weniger großen Abweichung, was wiederum mit einer Aufweitung der Toleranzen kompensiert werden muss, womit ein Vorteil des Plausibilisierungsverfahrens (enge Toleranzen) nicht mehr gegeben ist.
• Wie in 4A/4B schematisch dargestellt, nähert sich der Verlauf des mittleren Summenstroms I_S (T_V ) über den gesamten Bereich von Tastverhältnissen einem parabelförmigen/linearen Verlauf an, wenn das Verhältnis t_PWM/τ gegen null/unendlich tendiert. Derartige Verläufe lassen sich besonders gut mit einem Polynom zweiten Grades Î_S(T_V,i ; T_V,1 , T_V,2 , T_V,3 ) approximieren, welches über N= 3 als Stützstellen wirkende Tastverhältnisse T_V,1 , T_V,2 , T_V,3 eindeutig bestimmt werden kann. Eine Gleichverteilung der Stützstellen ist nicht zwingend. Oft ist es in der Praxis nicht möglich Stützstellen über den gesamten Bereich 0 ≤ Tv ≤ 1 gleichverteilt „anzufahren“. Die Bedingung ist dabei, dass sie paarweise verschieden sind (Tv1 ≠ Tv2, Tv1 ≠ Tv3, Tv2 ≠ Tv3).
• 5 zeigt beispielhaft eine schematische Anordnung zur Messung eines mittleren Stromes durch einen Shuntwiderstand R₁ , R₂ mittels einer Messkette 15. Der Shuntwiderstand kann als erster Shuntwiderstand R₁ im Pfad des summarischen Stroms i_s zwischen der Versorgungsspannung U₀ und dem Schalter 3 angeordnet sein. Der Shuntwiderstand kann auch als zweiter Shuntwiderstand R₂ im Pfad des Aktuatorstroms i_A zwischen dem zweiten Pol 1.2 des Aktuatorzweipols 1 und der Masse M angeordnet sein. Die Messkette 15 umfasst einen Verstärker 5, einen Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpass 6 sowie ausgangsseitig einen Analog-Digital-Wandler 7. Optional umfasst die Messkette 15 eingangsseitig einen Glättungstiefpass 4.
• Ein Stromfluss bewirkt einen Spannungsabfall u über dem Shuntwiderstand R₁ ,R₂ . Der Spannungsabfall u wird optional einem Glättungstiefpass 4 zugeführt und von diesem geglättet. Die geglättete Ausgangsspannung u_LP am Ausgang des Glättungstiefpasses 4 wird einem Verstärker 5 zugeführt. Bei Wegfall des Glättungstiefpasses 4 wird der Spannungsabfall u direkt dem Verstärker 5 zugeführt. In der Summenstrommessung dient der Glättungstiefpass 4 vorwiegend der Rauschunterdrückung und dem Ausfiltern von hohen Frequenzanteilen im Signal, insbesondere von steilen Ein-/Ausschaltflanken.
• Bei der Aktuatorstrommessung kann der Glättungstiefpass 4 entfallen, weil der induktive Aktuator 1 selbst als RL-Tiefpass „wirkt“.
• Die geglättete und verstärkte Ausgangsspannung u_v,LP am Ausgang des Verstärkers 5 wird einem Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpass 6 zugeführt. Die obere Grenzfrequenz f_g des Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpass 6 ist gemäß dem Abtasttheorem geringer als die halbe Abtastfrequenz f_A eines nachfolgenden Analog-Digital-Wandlers 7 gewählt $f_g<\frac{1}{2}{f}_A.$

  

  Der Analog-Digital-Wandler 7 wandelt die geglättete, verstärkte und bandbegrenzte Ausgangsspannung $u\frac{f_A}{z},v,LP$

  

  des Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpass 6 gemäß einer vorbestimmten Abbildung oder Kennlinie in einen als Bitmuster darstellbaren Digitalwert Z, welcher beispielsweise als vorzeichenbehafteter Ganzzahlwert oder als Gleitkommawert vom Microcontroller 11 interpretierbar ist.
• Auf dem Microcontroller 11 erfolgt die Umrechnung dieses Digitalwertes Z in einen Stromwert durch Anwendung einer linearen Funktion i{Z)=α(T)·Z+β(T), wobei der Anstieg α(T) und der dem Zahlenwert Z=0 zugeordnete Strom β(T) in Abhängigkeit von der Temperatur T des Shuntwiderstandes R₁ , R₂ vorgegeben sind.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass dem Ausgang eines Glättungstiefpasses 4 und/oder dem Ausgang eines Verstärkers 5 und/oder dem Ausgang eines Antialiasingtiefpasses 6 und/oder dem Ausgang eines Analog-Digital-Wandlers 7 eine additive Störung η überlagert sein kann, welche zeitlich konstant als Offset oder zeitvariabel als Drift oder Rauschen ausgebildet sein kann.
• Die Einbeziehung einer Störung η in die Messkette 15 und somit in die Berechnung des Stromwertes i(Z) bewirkt eine Abweichung eines bei irgendeinem Tastverhältnis T_V.i gemessenen Messwertes für einen mittleren Strom I_S(T_V,i), I_A(T_V,i) und somit gegenüber einer ungestörten Messkette 15 veränderte Stützstellen für mindestens ein Polynom Î_S(T_V ; T_V,1 , T_V,2 ,...T_V,N ), Î_A(T_V ; T_V,1 , T_V,2 ,...T_V,N), das so gewählt ist, dass es exakt durch die Stützstellen verläuft. Somit werden sich die Polynome Î_S{T_V ; T_V,1 , T_V,2 ,...T_V,N ), Î_A(T_V ; T_V,1 , T_V,2 ,...T_V,N ) an mindestens einem der beiden Randpunkte T_V =0, T_V =1 abweichend vom theoretisch erwarteten Zusammenhang nicht treffen. In vorteilhafter Weise lassen sich daher Störungen entlang der Messkette 15 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Plausibilitätsprüfung erkennen.
• Bezugszeichenliste

1

Aktuatorzweipol, Aktuator

1.1

erster Pol

1.2

zweiter Pol

2

Freilaufdiode

3

Schalter

4

Glättungstiefpass

5

Verstärker

6

Antialiasingtiefpass

7

Analog-Digital-Wandler

10

Steuergerät

11

Microcontroller

12

Treiber- und Messschaltung

13

Steuersignal

14a

Strommesssignal

14b

redundantes Strommesssignal

15, 16

erste, zweite Messkette

M

Masse

f_g

Grenzfrequenz

η

additive Störung

U₀

Versorgungsspannung

L

induktive Last

R

Ohmsche Last

R₁

erster Shuntwiderstand

R₂

zweiter Shuntwiderstand

T

Temperatur

T_V

Tastverhältnis

T_V,i,i = 1,2, ... N

Tastverhältnis

t_PWM

Periodendauer

t_ein

Einschaltdauer, Pulsdauer

t_aus

Ausschaltdauer, Öffnungsdauer

τ

Zeitkonstante

i_S

summarischer Strom

i_A

Aktuatorstrom

i_A,max

Maximalwert des Aktuatorstroms

i_D

Diodenstrom

I_S

mittlerer summarischer Strom

I_A

mittlerer Aktuatorstrom

I_D

mittlerer Diodenstrom

I_S(T_V,i),i=1,2,...N

Messwert mittleren summarischen Stroms, Stützstelle

I_A(T_V,i),i=1,2,...N

Messwert mittleren Aktuatorstroms, Stützstelle

Z

Digitalwert

u

Spannung, Spannungsabfall am Shuntwiderstand

u_LP

geglättete Ausgangsspannung

u_v,LP

geglättete und verstärkte Ausgangsspannung



bandbegrenzte, geglättete und verstärkte Ausgangsspannung

Claims (17)

1. Verfahren zur Plausibilitätsprüfung der Messung eines Aktuatorstromes (i_A) durch einen Aktuatorzweipol (1) umfassend eine induktive Last (L) und eine ohmsche Last (R), wobei ein erster Pol (1.1) des Aktuatorzweipols (1) über einen pulsweitenmodulierten Schalter (3) mit einer Versorgungsspannung (U₀) und über eine in Sperrrichtung angeordnete Freilaufdiode (2) mit der Masse (M) verbunden wird, wobei ein zweiter Pol (1.2) des Aktuatorzweipols (1) mit der Masse (M) verbunden wird, wobei Messwerte (I_S(T_V,i)) für einen mittleren summarischen Strom (I_S) durch den Schalter (3) und Messwerte (I_A(T_V,i)) für einen mittleren Aktuatorstrom (I_A) durch den zweiten Pol (1.2) bei mindestens drei verschiedenen Tastverhältnissen (T_V,i,i =1 ...N,N ≥ 3) der Pulsweitenmodulation des Schalters (3) im eingeschwungenen Zustand erfasst werden, wobei eine Abhängigkeit des mittleren summarischen Stroms (I_S(T_V)) vom Tastverhältnis (T_V) durch ein an die mindestens drei Messwerte (I_S(T_V,i),i =1...N) für den mittleren summarischen Strom (I_S) angepasstes Summenstrompolynom (I_S(T_V; T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) mit Polynomkoeffizienten (a_S,0,a_S,1,...a_S.N-1) und eine Abhängigkeit des mittleren Aktuatorstroms (I_A(T_V)) vom Tastverhältnis (T_V) durch ein an die mindestens drei Messwerte (I_A(T_V,i),i=1...N) für den mittleren Aktuatorstrom (I_A) angepasstes Aktuatorstrompolynom (Î_A(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) mit Polynomkoeffizienten (a_A.0,a_A.1,...a_A.N-1) genähert wird, wobei eine betragsmäßige Abweichung des Aktuatorstrompolynoms (Î_A(T_V; T_V,1, T_V,2,...T_V,N)) vom Summenstrompolynom (Î_S(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) für das Tastverhältnis Eins (T_V =1) und für das Tastverhältnis Null (T_V=0) berechnet und gegen vorbestimmte korrespondierende Toleranzen verglichen wird und wobei eine Inplausibilität der Messung des Aktuatorstromes (i_A) dann bestimmt wird, wenn mindestens eine der vorbestimmten Toleranzen überschritten ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorstrompolynom (Î_A(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) und das Summenstrompolynom (Î_S(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) als Newtonsche Interpolationspolynome gewählt werden, die jeweils durch die Messwerte (I_S(T_V,i)) und (I_A(T_V,i)) verlaufen, und wobei die Polynomkoeffizienten (a_S,0,a_S,1,...a_S,N-1, a_A,0,a_A,1,...a_A,N-1) nach einem Verfahren dividierter Differenzen ermittelt werden.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte ( I_A(T_V,i),i=1...N) für den mittleren Aktuatorstrom (I_A) und die Messwerte (I_S(T_V,i),i=1...N) für den mittleren summarischen Strom (I_S) mit vorgegebenen Tastverhältnissen (T_V,i,i=1,2,...N) erfasst werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Messwerte (I_A(T_V,i),i=1...3) für den mittleren Aktuatorstrom (I_A) und drei Messwerte (I_S(T_V,i),i =1...3) für den mittleren summarischen Strom (I_S) erfasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periodendauer (t_PWM) der Pulsweitenmodulation des Schalters (3) kleiner einer Zeitkonstante (τ) oder größer dem 50-fachen der Zeitkonstante (τ), bevorzugt kleiner der Zeitkonstante (τ) oder größer dem 100-fachen der Zeitkonstante (τ) gewählt wird, wobei die Zeitkonstante (τ) bei geschlossenem Schalter (3) des Aktuatorzweipols (1) als das Verhältnis der induktiven Last (L) und der Summe aus der ohmschen Last (R), einem ersten Shuntwiderstand (R₁) und einem zweiten Shuntwiderstand (R₂) bestimmt wird, und wobei die Zeitkonstante (τ) bei geöffnetem Schalter (3) als das Verhältnis der induktiven Last (L) und der Summe aus der ohmschen Last (R) und dem zweiten Shuntwiderstand (R₂) bestimmt wird, wobei die ohmsche Last (R) zwischen der Versorgungsspannung (U₀) und der Masse (M), der erste Shuntwiderstand (R₁) zwischen dem Schalter (3) und der Versorgungsspannung (U₀) und der zweite Shuntwiderstand (R₂) zwischen dem zweiten Pol (1.2) und der Masse (M) angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag des Polynomkoeffizienten (a_A.2) zweiter Ordnung des Aktuatorstrompolynoms (Î_A(T_V;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen wird, wobei eine Inplausibilität der Messung des Aktuatorstromes (i_A) dann bestimmt wird, wenn der Betrag des Polynomkoeffizienten (a_A,2 )zweiter Ordnung den vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Shuntwiderstand (R₁) zwischen dem Schalter (3) und der Versorgungsspannung (U₀) angeordnet wird, ein zweiter Shuntwiderstand (R₂) zwischen dem zweiten Pol (1.2) und der Masse (M) angeordnet wird, und dass der mittlere summarische Strom (I_S) durch Messung der Spannung (u) über dem ersten Shuntwiderstand (R₁) bei eingeschaltetem Schalter (3) mit dessen Einschaltdauer (t_ein) ermittelt wird und der mittlere Aktuatorstrom (I_A) durch Messung der Spannung (u) über dem zweiten Shuntwiderstand (R₂) in der gesamten Periodendauer (t_PWM) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Digitalwert (Z) für den mittleren summarischen Strom (I_S) durch Auswertung der Spannung (u) über dem ersten Shuntwiderstand (R₁) mittels einer Messkette (15) ermittelt wird, indem die Spannung (u) über dem Shuntwiderstand (R₁) optional mittels eines Glättungstiefpass (4) geglättet wird, nachfolgend mittels eines Verstärkers (5) verstärkt wird, nachfolgend mittels eines Filters, insbesondere eines Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpasses (6), frequenzbegrenzt oder gemittelt wird, nachfolgend mittels eines Analog-Digital-Wandlers (7) abgetastet und diskretisiert wird und aus dem diskretisierten Wert gemäß einer vorbestimmten Spannungs-Strom-Kennlinie der mittlere summarische Strom (I_S) bestimmt wird, und ein Digitalwert (Z) für einen mittleren Atuatorstrom (I_A) durch Auswertung der Spannung (u) über dem zweiten Shuntwiderstand (R₂) mittels einer Messkette (16) ermittelt wird, indem die Spannung (u) über dem Shuntwiderstand (R₂) optional mittels eines Glättungstiefpass (4) geglättet wird, nachfolgend mittels eines Verstärkers (5) verstärkt wird, nachfolgend mittels eines Filters, insbesondere eines Antialiasingtiefpass/Mittelwerttiefpasses (6), frequenzbegrenzt oder gemittelt wird, nachfolgend mittels eines Analog-Digital-Wandlers (7) abgetastet und diskretisiert wird und aus dem diskretisierten Wert gemäß einer vorbestimmten Spannungs-Strom-Kennlinie der mittlere Aktuatorstrom (I_A) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Spannungs-Strom-Kennlinie eine lineare Funktion (i=α(T)·u +β(T)) mit einem Anstieg (α(T)) und einem Offset (β(T)) ist, die jeweils in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) vorbestimmt sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass Gesamtverstärkungen beider Messketten (15, 16) aus der Differenz von zwei Werten des jeweiligen Strompolynoms $$\left({\widehat{I}}_S\left(T_V=1;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)\right)-\left({\widehat{I}}_S\left(T_V=0;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)\right)$$

    

    $$\left({\widehat{I}}_A\left(T_V=1;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)\right)-\left({\widehat{I}}_A\left(T_V=0;T_{V\mathrm{,1}},T_{V\mathrm{,2}},\dots T_{V,N}\right)\right)$$

    

    für ein Tastverhältnis eins (T_V=1) und für ein Tastverhältnis null (T_V=0) bestimmt wird, wobei ein Verhältnis oder die absolute oder die relative Differenz beider Gesamtverstärkungen gebildet und einer Wertebereichsprüfung unterzogen wird und eine Inplausibilität der Messung des Stromwertes des Aktuatorstroms (i_A) dann erkannt wird, wenn das Verhältnis oder die absolute oder die relative Differenz beider Gesamtverstärkungen einen vorbestimmten Wertebereich überschreitet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert eines Strompolynoms (Î_S(T_V=0;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)),(Î_A(T_V=0;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) für ein Tastverhältnis null (T_V=0) bestimmt wird und mit einem vorbestimmten Verstärkeroffsetwert verglichen wird, wobei eine Inplausibilität der Messung des Stromwertes des Aktuatorstroms (i_A) dann bestimmt wird, wenn der Abstand des Wertes des Strompolynoms (Î_S(T_V=0;T_V,1,T_V,2,...T_V,N)),(Î_A(T_V=0; T_V,1,T_V,2,...T_V,N)) von dem vorbestimmten Verstärkeroffsetwert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein Hubmagnetventil.
13. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein elektromagnetisches Schnellschaltventil.
14. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein elektromagnetisches Gangstellerventil.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein elektromagnetisches Proportionalventil.
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein elektromagnetisches Schwarz-Weiß-Ventil.
17. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für einen elektromagnetischen Injektor.

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