DE10242791B4 - Verfahren und elektrische Schaltung zur Ermittlung eines mittleren Stroms durch ein elektromagnetisches Stellglied - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung eines mittleren Stroms (IM) durch ein elektromagnetisches Stellglied (10), wobei das Stellglied (10), ein Schalter (12) und ein Messwiderstand (13) in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung bilden, wobei dem Stellglied (10) eine Freilaufdiode (14) parallel geschaltet ist, wobei bei dem Verfahren ein von der Zeit (t) abhängiger Strom (I(t)) über das Stellglied (10) mittels eines PWM-Signals erzeugt wird, und wobei das PWM-Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das den Schalter (12) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass der während einer Einschaltzeitdauer (Tein) des PWM-Signals über den Messwiderstand (13) fließende Strom (IG) gemessen wird, und dass der während der Einschaltzeitdauer (Tein) und einer Ausschaltzeitdauer (TA) des PWM-Signals über das Stellglied (10) fließende mittlere Strom (IM) mit Hilfe eines Korrekturfaktors (KF(Tein)) ausschließlich aus dem während der Einschaltzeitdauer (Tein) gemessenen Strom (IG) berechnet wird.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung eines mittleren Stroms durch ein elektromagnetisches Stellglied nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende elektrische Schaltung zur Ermittlung eines mittleren Stroms durch ein elektromagnetisches Stellglied nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
- Zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Stellglieds ist es bekannt, dieses über einen ersten Schalter an eine Versorgungsspannung und über einen zweiten Schalter an Masse anzuschließen. Zur Messung des Stroms über das Stellglied ist es bekannt, einen Messwiderstand in Serie zwischen die beiden Schalter zu schalten. Parallel zu dem Stellglied und dem Widerstand ist üblicherweise eine Freilaufdiode angeordnet.
- Im Betrieb des Stellglied wird einer der beiden Schalter mit einem PWM-Signal (PWM = Pulsweitenmodulation) beaufschlagt. Dies führt zu einem Strom über das Stellglied, dessen Größe von dem Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeitdauern des PWM-Signals abhängig ist. Soll dieser Strom geregelt werden, so ist dessen Messung erforderlich.
- Bei einer ersten Alternative, bei der der erste Schalter mit dem PWM-Signal beaufschlagt wird, ist es zu diesem Zweck bekannt, das Potential zwischen dem Messwiderstand und dem Stellglied über einen Operationsverstärker abzugreifen. Die Beschaltung des Operationsverstärkers kann dabei relativ einfach ausgestaltet sein, da der Messwiderstand im Betrieb des Stellglieds über den zweiten, nicht betätigten Schalter bleibend auf Masse liegt. Nachteilig ist, dass der erste, mit dem PWM-Signal beaufschlagte Schalter relativ teuer ist, da er direkt an der Versorgungsspannung anliegt und diese schalten muss.
- Bei einer zweiten Alternative, bei der der zweite Schalter mit dem PWM-Signal beaufschlagt wird, ist es bekannt, den Spannungsabfall an dem Messwiderstand mit Hilfe eines Differenzverstärkers abzugreifen. Dies ist erforderlich, da der Messwiderstand aufgrund des geschalteten zweiten Schalters nicht bleibend auf Masse liegt. Die Beschaltung des Differenzverstärkers ist dabei eher mit Aufwand und damit mit Kosten verbunden. Der mit dem PWM-Signal beaufschlagte zweite Schalter ist jedoch kostengünstig, da er direkt gegen Masse schaltet.
- In der
EP 693 819 A1 - Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine elektrische Schaltung zu schaffen, die die Verwendung kostengünstiger Schalter erlaubt, ohne dass dies zu einer aufwendigen Beschaltung für die Strommessung führt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Bei einer elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß nach dem Anspruch 7 gelöst.
- Durch die Ermittlung des mittleren Stroms über das Stellglied in Abhängigkeit einerseits von dem während der Einschaltzeitdauer des PWM-Signals über den Messwiderstand fließenden und gemessenen Strom und andererseits von dem Korrekturfaktor ergibt sich der Vorteil, dass es unerheblich ist, welcher Strom während der Ausschaltzeitdauer über den Messwiderstand fließt. Damit kann der Messwiderstand auf Masse gelegt werden, was zu einer einfachen Beschaltung führt, mit der das Potential an dem Messwiderstand abgegriffen wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Tiefpass, der aus einem mit einem RC-Glied beschalteten Operationsverstärker besteht.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn der während der Ausschaltzeitdauer des PWM-Signals über das Stellglied fließende Strom nicht gemessen wird. Dies ist vorzugsweise genau dann der Fall, wenn das Stellglied, der Schalter und der Messwiderstand in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung nach Masse bilden. Diese Reihenschaltung bringt nicht nur die bereits erwähnte, einfache und damit kostengünstige Beschaltung des Messwiderstands mit sich, sondern erlaubt es auch, den mit dem Messwiderstand verbundenen Schalter mit dem PWM-Signal zu beaufschlagen.
- Da dieser Schalter nahezu auf Masse liegt, kann er ebenfalls preisgünstig realisiert werden.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße elektrische Schaltung bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere bei einer Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommt. Die Schaltung kann aber auch im Zusammenhang mit einem elektromagnetischen Einspritzventil eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen verwendet werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung
- Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der, Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
-
1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Schaltung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Stellglieds, und -
2 zeigt ein schematisches Zeitdiagramm des Stroms durch das Stellglied der1 . - In der
1 ist ein elektromagnetisches Stellglied10 zwischen einem ersten Schalter11 und einem zweiten Schalter12 in Serie geschaltet. Der erste Schalter11 ist an eine Versorgungsspannung UV angeschlossen. Der zweite Schalter12 liegt über einen Messwiderstand13 an Masse. - Dem Stellglied
10 ist eine Freilaufdiode14 parallelgeschaltet. - Der erste Schalter
11 ist im normalen Betrieb des Stellglieds10 bleibend geschlossen und wird nur im Fehlerfall gegebenenfalls geöffnet. Der zweite Schalter12 wird mit einem PWM-Signal (PWM = Pulsweitenmodulation) angesteuert. Ein derartiges PWM-Signal ist in der2 dargestellt. - In der
2 ist ein PWM-Signal über der Zeit t aufgetragen. Das PWM-Signal kann einen ersten Zustand „1” einnehmen, in dem der zweite Schalter12 geschlossen ist, oder einen zweiten Zustand „0”, in dem der zweite Schalter12 geöffnet ist. Ein Ein- und Ausschaltzyklus besitzt die Zeitdauer T und setzt sich aus einer Einschaltzeitdauer Tein und einer Ausschaltzeitdauer TA zusammen. - Während der Einschaltzeitdauer Tein fließt ein ansteigender Strom IE über den ersten Schalter
11 , das Stellglied10 , den zweiten Schalter12 und den Messwiderstand13 nach Masse. Während der Ausschaltzeitdauer TA entlädt sich das elektromagnetische Stellglied10 über die Freilaufdiode14 , so dass ein abfallender Strom IA über das Stellglied10 fließt. Aufgrund des geöffneten zweiten Schalters12 fließt während der Ausschaltzeitdauer TA kein Strom über den Messwiderstand13 . - Der ansteigende Strom IE und der abfallende Strom IA stellen insgesamt über der Zeit t einen Strom I(t) dar. Dessen Mittelwert ist in der
2 als mittlerer Strom IM eingetragen. Durch eine Veränderung des Verhältnisses der Einschaltzeitdauer Tein zu der Ausschaltzeitdauer TA und/oder durch einen Veränderung der Zeitdauer T eines Ein- und Ausschaltzyklus kann der mittlere Strom IM beeinflusst werden. - Insbesondere für eine Regelung des mittleren Stroms IM ist es erforderlich, den Istwert des Stroms IM zu ermitteln. Hierzu ist in der
1 der Messwiderstand13 vorgesehen. Da der Messwiderstand13 direkt auf Masse liegt, genügt es, das Potential zwischen dem Messwiderstand13 und dem zweiten Schalter12 abzugreifen. Hierzu ist in der1 ein Tiefpass15 vorgesehen, der im einfachsten Fall einen mit einem RC-Glied beschalteten Operationsverstärker aufweist. - Das von dem Tiefpass
15 fortlaufend erzeugte Ausgangssignal stellt den gemessenen Strom IG dar. Dieser Strom IG wird an ein Steuergerät16 oder an eine entsprechende sonstige Logik weitergegeben, das die Auswertung des gemessenen Stroms IG und gegebenenfalls die vorgenannte Regelung des mittleren Stroms in Abhängigkeit von dem ausgewerteten Strom IG durchführt und den zweiten Schalter12 entsprechend mit dem PWM-Signal ansteuert. Das Steuergerät16 kann zu diesem Zweck einen Mikroprozessor aufweisen, auf dem ein Computerprogramm abläuft, das letztlich insbesondere die Auswertung des von dem Tiefpass erhaltenen Stroms IG ausführt. Weiterhin kann das Steuergerät16 mit einem elektronischen Speicher versehen sein, auf dem insbesondere das Computerprogramm abgespeichert ist. - Wie bereits erwähnt wurde, fließt während der Ausschaltzeitdauer TA kein Strom durch den Messwiderstand
13 . Nur während der Einschaltzeitdauer Tein fließt derjenige Strom über den Messwiderstand13 , der während dieser Einschaltzeitdauer Tein auch über das Stellglied10 fließt. Dies bedeutet jedoch, dass der gemessene Strom IG nicht dem mittleren Strom IM über das Stellglied10 entspricht. Statt dessen repräsentiert der gemessene Strom IG nur denjenigen ansteigenden Strom IE, der während der Einschaltzeitdauer Tein fließt. Der abfallende Strom IA während der Ausschaltzeitdauer TA ist in dem Strom IG jedoch nicht berücksichtigt. Während dieser Ausschaltzeitdauer TA wird von dem Tiefpass15 ein Nullstrom gemessen und als Strom IG weitergegeben. - Durch die Auswertung des von dem Tiefpass
15 gelieferten Stroms IG ermittelt das Steuergerät16 den mittleren Strom IN. Dies wird auf der Grundlage einer Näherungsrechnung durchgeführt. -
- I0 ist der maximal fließende Strom über das Stellglied
10 , I(TStart) ist der Stromwert am Ende des vorhergehenden Ein- und Ausschaltzyklus, Tein ist die Einschaltzeitdauer, T ist die Zeitdauer eines Ein- und Ausschaltzyklus, L ist die Induktivität des Stellglieds10 , R ist der Widerstand des Strompfads über das Stellglied10 und t ist die Zeit. -
- Dabei ist <I(T)> = IM.
-
- Dabei ist IX eine Substitution, für die gilt:
IX = I0 – (I0 – I(TStart)). -
-
- Zusätzlich kann der Korrekturfaktor KF(Tein) temperaturabhängig sein, und zwar kann insbesondere eine Abhängigkeit von der Temperatur des Stellglieds
10 und/oder des Messwiderstands13 vorhanden sein. - Der Korrekturfaktor KF(Tein) kann als Kennlinie oder als Kennfeld in Abhängigkeit von der Einschaltzeitdauer Tein und gegebenenfalls der Temperatur und/oder anderen Einflussgrößen realisiert und abgespeichert sein.
- Mit dem Korrekturfaktor KF(Tein) kann der von dem Tiefpass
15 gemessene Strom IG durch Multiplikation in den mittleren Strom IM umgerechnet werden. Mit Hilfe des Korrekturfaktors KF(Tein) ist es somit möglich, den mittleren Strom IM zu ermitteln, ohne dass während der Ausschaltzeitdauer TA ein Strom über den Messwiderstand13 fließt. - Der Wert des Korrekturfaktors KF(Tein) geht gegen unendlich, wenn die Einschaltzeitdauer Tein gegen Null geht. Dieser Fall ist in der Praxis nicht relevant, da im normalen Betrieb des Stellglieds
10 eine minimale Einschaltzeitdauer Tein immer vorhanden ist. Umgekehrt geht der Wert des Korrekturfaktors KF(Tein) gegen Eins, wenn die Einschaltzeitdauer Tein gegen die Zeitdauer T eines Ein- und Ausschaltzyklus geht. Dieser Fall bedeutet, dass der zweite Schalter12 fortlaufend eingeschaltet bleibt und damit der gemessene Strom IG dem mittleren Strom IM entspricht. - Mit Hilfe des über den Tiefpass
15 gemessenen Stroms IG und des Korrekturfaktors KF(Tein) kann somit beispielsweise von dem Steuergerät16 eine Regelung des mittleren Strom IM auf einen erwünschten Sollwert durchgeführt werden.
Claims (9)
- Verfahren zur Ermittlung eines mittleren Stroms (IM) durch ein elektromagnetisches Stellglied (
10 ), wobei das Stellglied (10 ), ein Schalter (12 ) und ein Messwiderstand (13 ) in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung bilden, wobei dem Stellglied (10 ) eine Freilaufdiode (14 ) parallel geschaltet ist, wobei bei dem Verfahren ein von der Zeit (t) abhängiger Strom (I(t)) über das Stellglied (10 ) mittels eines PWM-Signals erzeugt wird, und wobei das PWM-Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das den Schalter (12 ) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass der während einer Einschaltzeitdauer (Tein) des PWM-Signals über den Messwiderstand (13 ) fließende Strom (IG) gemessen wird, und dass der während der Einschaltzeitdauer (Tein) und einer Ausschaltzeitdauer (TA) des PWM-Signals über das Stellglied (10 ) fließende mittlere Strom (IM) mit Hilfe eines Korrekturfaktors (KF(Tein)) ausschließlich aus dem während der Einschaltzeitdauer (Tein) gemessenen Strom (IG) berechnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der während der Ausschaltzeitdauer (TA) des PWM-Signals über das Stellglied (
10 ) fließende Strom (IA) nicht gemessen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (KF(Tein)) als Kennlinie oder Kennfeld gespeichert wird.
- Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (KF(Tein)) näherungsweise wie folgt lautet: mit Tein = Einschaltzeitdauer des PWM-Signals, T = Zeitdauer eines Ein- und Ausschaltzyklus des PWM-Signals, L = Induktivität des Stellglieds (
10 ), R = Widerstand des Strompfads über das Stellglied (10 ) und t = Zeit. - Computerprogramm mit einer Vielzahl von Programmbefehlen, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche geeignet ist, wenn die Programmbefehle von einem Computer ausgeführt werden.
- Computerprogramm nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch dessen Speicherung auf einem elektronischen Speichermedium.
- Elektrische Schaltung zur Ermittlung eines mittleren Stroms (IM) durch ein elektromagnetisches Stellglied (
10 ), wobei das Stellglied (10 ), ein Schalter (12 ) und ein Messwiderstand (13 ) in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung bilden, wobei dem Stellglied (10 ) eine Freilaufdiode (14 ) parallel geschaltet ist, mit Mitteln zur Erzeugung eines von der Zeit (t) abhängenden Stroms (I(t)) über das Stellglied (10 ) mittels eines PWM-Signals, wobei das PWM-Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, das den Schalter (12 ) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (16 ) zur Messung des während einer Einschaltzeitdauer (Tein) des PWM-Signals über den Messwiderstand (13 ) fließenden Stroms (IG) vorgesehen ist, und dass durch das Steuergerät (16 ) der während der Einschaltzeitdauer (Tein) und einer Ausschaltzeitdauer (TA) des PWM-Signals über das Stellglied (10 ) fließende mittlere Strom (IM) mit Hilfe eines Korrekturfaktors (KF(Tein)) ausschließlich aus dem während der Einschaltzeitdauer (Tein) gemessenen Strom (IG) berechnet wird. - Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (
10 ), der Schalter (12 ) und der Messwiderstand (13 ) in dieser Reihenfolge eine Serienschaltung nach Masse bilden. - Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, gekennzeichnet durch deren Verwendung bei einer Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs.
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SCHÜSSLER, H. W.: Netzwerke, Signale und Systeme. Bd. 1 Systemtheorie linearer elektrischer Netzwerke. Springer Verlag Berlin, 1981, S. 257 – 265, 269 – 271, 290 – 291. – ISBN 3-540-10524-7 |
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