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Die Erfindung betrifft eine Messverstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden viele elektromechanische Aktoren durch pulsweitenmodulierte Steuersignale angesteuert. Ein Beispiel dafür ist die Ansteuerung von Proportionalventilen in Automatikgetrieben. Hierbei bestimmt der durch den Aktor fließende Laststrom direkt den resultierenden Druck, so dass zur Ermittlung des Drucks eine genaue Messung des Laststroms erforderlich ist.
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Die Stromversorgung der Aktoren erfolgt hierbei über einen als High-Side-Treiber bezeichneten gemeinsamen spannungsseitigen Schalter, der im Normalbetrieb durchgeschaltet ist und aus Sicherheitsgründen eine gemeinsame Abschaltung sämtlicher Aktoren ermöglicht.
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Zur individuellen Ansteuerung der einzelnen Aktoren ist jeweils ein masseseitig angeordneter Schalter vorgesehen, der auch als Low-Side-Treiber bezeichnet wird und mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert wird.
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Die Messung des durch den Aktor fließenden Laststroms erfolgt herkömmlicherweise über einen Messwiderstand (engl. Shunt), der mit dem Aktor in Reihe geschaltet ist, wobei ein Differenzverstärker die über dem Messwiderstand abfallende Spannung misst.
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Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Low-Side-Treibers hat zur Folge, dass das Spannungsniveau am Eingang des Differenzverstärkers zwischen Masse und Batteriespannung schwankt, obwohl die über dem Messwiderstand abfallende Spannung wesentlich geringer ist. In der vorstehend beschriebenen bekannten Messverstärkerschaltung können deshalb nur relativ aufwändige Differenzverstärker mit einem großen Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden können.
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Eine ähnliche Messverstärkerschaltung mit einem zweipoligen Signaleingang ist auch aus
DE 197 25 455 C1 bekannt, jedoch kann auch hierbei nur ein relativ aufwendiger Differenzverstärker mit einem großen Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden.
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Schließlich sind aus
DE 36 27 610 C2 und
DE 199 13 655 A1 Messverstärkerschaltungen mit einem einpoligen Signaleingang bekannt, die jedoch zur Messung der über dem Messwiderstand abfallenden Spannung zur Stromermittlung nur begrenzt geeignet sind.
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Aus
US 5 777 468 A ,
GB 2 153 084 A und aus einem Datenblatt der Firma Burr Brown zum „Instrumentation Amplifier INA111”, Seiten 1–11, printed 1998 sind verschiedene Messverstärkerschaltungen bekannt, die jedoch zur Messung anderer Messgrößen dienen und deshalb nicht geeignet sind, um den Aktorstrom in einer Getriebesteuerung zu messen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene bekannte Messverstärkerschaltung so zu verbessern, dass auch einfache Differenzverstärker mit einem kleineren Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden können.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschriebenen bekannten Messverstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, vor dem Differenzverstärker ein Filter anzuordnen, das vorzugsweise ein Tiefpassfilter ist. An dem Eingang des Differenzverstärkers liegt hierbei also ein tiefpassgefiltertes Signal an, das in der Regel innerhalb eines kleineren Spannungsbereichs schwankt, so dass auch ein einfacherer Differenzverstärker mit einem kleineren Eingangsspannungsbereich einsetzbar ist. Ein derartiges Tiefpassfilter kann beispielsweise aus einem RC-Glied bestehen, das als Vierpol zwischen den Eingang des Differenzverstärkers und den zweipoligen Signaleingang geschaltet ist. Vorzugsweise liegt die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters unter der Grundfrequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals ist, mit dem der Aktor angesteuert wird.
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Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass das Filter zwischen dem Signaleingang und dem Differenzverstärker ein Bandpassfilter ist, wobei die obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters vorzugsweise kleiner als die Grundfrequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals für den Aktor ist.
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Gemäß der Erfindung ist das Filter potentialfrei mit dem Signaleingang verbunden, um die Messgröße elektrisch schwimmend zu filtern. Das elektrische Potential des Filters kann hierbei also entsprechend dem Schaltzustand des Low-Side-Treibers zwischen Masse und Versorgungsspannung frei floaten. Der Vorteil einer derartigen virtuellen Masse des Filters liegt darin, dass die Filterung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand permanent und unabhängig vom Schaltzustand des Low-Side-Treibers erfolgt, so dass wirklich der Mittelwert des Spannungsabfalls gebildet wird. Wenn der Low-Side-Treiber durchschaltet, so liegt das Filter bis auf den vernachlässigbaren Spannungsabfall über dem Low-Side-Treiber nahezu auf Massepotential. Falls der Low-Side-Treiber dagegen trennt, so hängt das Filter mit seinem Masseanschluss vorzugsweise über einen Freilaufkreis auf Batteriepegel. Besonders vorteilhaft daran ist also, dass die Eingangsspannung an dem Differenzverstärker geringeren Schwankungen unterliegt und von dem Schaltzustand des Low-Side-Treibers unabhängig ist, so dass ein Differenzverstärker mit einem geringeren Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden kann.
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Vorzugsweise werden deshalb zur Messung des Spannungsabfalls über dem Messwiderstand einfache Operationsverstärker verwendet, die beispielsweise einen Eingangsspannungsbereich von 0 bis 3 Volt aufweisen können.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung also einen einfachen und kostengünstigen Differenzverstärker mit einem Eingangsspannungsbereich auf, der sich von seinem minimal zulässigen Spannungswert bis zu seinem maximal zulässigen Spannungswert über weniger als 5 Volt und vorzugsweise sogar über weniger als 3 Volt erstreckt.
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Die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung lässt sich deshalb wesentlich kostengünstiger fertigen, da keine aufwändigen Differenzverstärker mit einem großen Eingangsspannungsbereich erforderlich sind.
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Es wurde bereits vorstehend erwähnt, das das Filter bei durchgeschaltetem Low-Side-Treiber vorzugsweise über einen Freilaufkreis auf Batteriepegel liegt, was bei einem passiven Filter die Gefahr einer übermäßigen elektrischen Belastung mit sich bringen würde. zwischen dem Filter und dem Differenzverstärker ist deshalb ein steuerbarer Trennschalter angeordnet, um zu verhindern, dass über das Filter ein Leckstrom gezogen wird, was zu einem Messfehler führen würde.
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Die Ansteuerung des Trennschalters zwischen dem Differenzverstärker und dem Filter erfolgt durch das Steuersignal für den Low-Side-Treiber, so dass der Differenzverstärker jeweils dann von dem Filter getrennt wird, wenn der Low-Side-Treiber ausgeschaltet ist. Durch diese Ansteuerung des Trennschalters wird eine übermäßige elektrische Belastung des Filters verhindert. Die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung weist deshalb einen Steuereingang zur Aufnahme des pulsweitenmodulierten Steuersignals auf, wobei der Trennschalter mit dem Steuereingang verbunden ist, damit die Verbindung zwischen dem Differenzverstärker und dem Filter entsprechend dem Zustand des pulsweitenmodulierten Steuersignals getrennt wird.
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Vorzugsweise ist der Differenzverstärker ausgangsseitig mit einem Abtast-Halte-Glied (engl. Sample-and-Hold) verbunden, welches das Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit einer vorgegebenen Abtastraste abtastet und zwischenspeichert, um das zwischengespeicherte Ausgangssignal des Differenzverstärker beispielsweise einem Analog/Digital-Wandler bereitzustellen. Das Abtast-Halte-Glied weist deshalb vorzugsweise einen Abtastschalter auf, der zur Festlegung der Abtastrate mit dem Steuereingang der erfindungsgemäßen Messverstärkerschaltung verbunden ist und somit von dem pulsweitenmodulierten Steuersignal für den Low-Side-Treiber angesteuert wird.
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Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers einer Softwareeinheit zugeführt wird, die jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Signalabtastung vornimmt, so dass auf einen Abtastschalter als diskretes Bauelement verzichtet werden kann.
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Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, dass die elektrische Ansteuerung des als Messobjekt dienenden Aktors durch einen Low-Side-Treiber erfolgt, während ein High-Side-Treiber allenfalls zur Notabschaltung dient.
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Es ist vielmehr auch möglich, dass die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung bei einem Aktor eingesetzt wird, der durch einen High-Side-Treiber angesteuert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die Messung des Spannungsabfalls über einem Messwiderstand beschränkt, um den Laststrom durch einen Aktor zu ermitteln. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die erfindungsgemäße Messschaltung allgemein eine elektrische Spannung misst, die zwischen zwei Messpunkten abfällt.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung auch bei einem Aktor eingesetzt werden, der durch eine Halbbrücke angesteuert wird, die aus einem Low-Side-Treiber und einem High-Side-Treiber besteht, was vorteilhaft eine Stromversorgung mit beliebiger Polarität ermöglicht.
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Bei einer schaltungstechnischen Realisierung der erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung wird vorzugsweise ein MOSFET als Low-Side-Treiber, High-Side-Treiber und als Trennschaltung zwischen dem Differenzverstärker und dem Filter eingesetzt. Als Abtastschalter in dem Abtast-Halte-Glied eignet sich dagegen vorzugsweise ein JFET. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der schaltungstechnischen Realisierung nicht auf diese Typen von Schaltelementen beschränkt, sondern auch mit anderen Schaltelementen realisierbar.
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Schließlich ist es im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, dass die Ansteuerung des Aktors bzw. des Trennschalters und des Abtastschalters der Messverstärkerschaltung durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal erfolgt. Es ist vielmehr auch möglich, hierfür andere entsprechend modulierte Steuersignale einzusetzen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüche enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung als Blockschaltbild.
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Das Blockschaltbild in 1 zeigt eine erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung 1, die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, um einen Laststrom I durch einen Aktor 2 zu messen. Der Aktor 2 ist hierbei ein Proportionalventil, das zur Steuerung eines Automatikgetriebes dient, wobei der Aktor 2 vereinfacht als Ersatzschaltbild aus einem ohmschen Widerstand RV und einer in Reihe geschalteten Induktivität LV dargestellt ist.
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Zur Messung des durch den Aktor 2 fließenden Laststroms I weist die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung 1 zwei Signaleingänge INH und INL auf, zwischen denen ein Messwiderstand RM angeordnet ist, wobei der Messwiderstand RM einen wesentlichen kleineren Widerstandswert aufweist als der Widerstand RV des Aktors 2, damit die Messung möglichst keinen Einfluss auf das Messobjekt hat.
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Der masseseitige Signaleingang INL der erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung 1 ist über einen als Low-Side-Treiber dienenden MOSFET-Transistor T1 mit Masse GND (engl. Ground) verbunden.
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Der spannungsseitige Signaleingang INH der erfindungsgemäßen Messverstärkerschaltung 1 ist dagegen durch den Aktor 2 mit einer Versorgungsspannung VHS verbunden.
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Die Ansteuerung des MOSFET-Transistors T1 erfolgt durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal PWM mit einer Pulsrate fP, das beispielsweise von einer elektronischen Motorsteuerung vorgegebenen werden kann, wobei die Motorsteuerung die Pulsweite des Steuersignals PWM entsprechend der gewünschten Stellung des Aktors 2 einstellt.
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Beim Durchschalten des MOSFET-Transistors T1 wird der Aktor 2 also von der Versorgungsspannung VHS bestromt und der Last-Strom I fließt durch den Aktor 2, den Messwiderstand RM und den MOSFET-Transistor T1 nach Masse GND.
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Heim anschließenden Sperren des MOSFET-Transistors T1 übernimmt dann eine Freilaufdiode D1 den durch den Aktor 2 fließenden Laststrom I, der dann mit der Zeitkonstante τ = 1/(RV + RM)LV exponentiell abklingt.
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Der Spannungsabfall über dem Messwiderstand RM gibt also direkt den durch den Aktor 2 fließenden Laststrom I wieder und wird deshalb von der Messverstärkerschaltung 1 gemessen.
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Hierzu weist die Messverstärkerschaltung 1 ein Tiefpassfilter 3 auf, dass als RC-Glied ausgebildet ist und aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 besteht, so dass das Tiefpassfilter eine Grenzfrequenz fG = 1/R1C1 aufweist. Der Widerstand R1 und der Kondensator C1 sind hierbei so dimensioniert, dass die Pulsrate fP des Steuersignals PWM deutlich über der Grenzfrequenz fG des Tiefpassfilters liegt, so dass bei der Strommessung der Einfluss des schwankenden Steuersignals PWM von dem Tiefpassfilter 3 weitgehend unterdrückt wird.
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Die eigentliche Messung der Spannungsabfalls über dem Messwiderstand RM erfolgt dagegen durch eine Verstärkereinheit 4 mit einem Differenzverstärker 5 mit einem Verstärkungsfaktor von 7,14, wobei der Differenzverstärker 5 aus einem einfachen Operationsverstärker besteht, was eine kostengünstige schaltungstechnische Realisierung der Messverstärkerschaltung 1 ermöglicht. Neben der Verstärkung des gemessenen Spannungsabfalls bewirkt die Verstärkereinheit 4 auch eine Gleichtaktunterdrückung in dem Messsignal.
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Der nicht-invertierende Eingang + des Differenzverstärkers 4 ist hierzu über einen Trennschalter T1 mit dem Filter 3 verbunden, wobei der Trennschalter T1 als MOSFET ausgeführt ist.
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Der invertierende Eingang – des Differenzverstärkers 4 ist dagegen direkt mit dem Filter 3 verbunden.
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Der Differenzverstärker 4 misst also den tiefpassgefilterten Spannungsabfall über dem Messwiderstand RM, wobei der Trennschalter T2 verhindert, dass über das Filter 3 ein Leckstrom fließt, wenn der MOSFET-Transistor T1 des Low-Side-Treibers sperrt.
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Die Ansteuerung des Trennschalters T1 erfolgt ebenfalls durch das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM. Hierzu weist die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung 1 einen Steuereingang CTRL auf, an dem das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM anliegt, wobei der Steuereingang CTRL innerhalb der Messverstärkerschaltung 1 über einen Inverter 6 mit dem Gate-Anschluss des Trennschalters T2 verbunden ist. Der Trennschalter T2 trennt also den nicht-invertierenden Eingang + des Differenzverstärkers 4 von dem Filter 3, wenn der MOSFET-Transistor T1 des Low-Side-Treibers von dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM nicht-leitend gesteuert wird.
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Ausgangsseitig ist der Differenzverstärker 5 mit einem Abtast-Halte-Glied 7 verbunden, das aus einem als JFET ausgeführten Abtastschalter T3, einem Pufferkondensator C2 und einem Ausgangsverstärker 8 mit einem Verstärkungsfaktor von 2,78 besteht.
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Die Ansteuerung des Abtastschalters T3 erfolgt ebenfalls durch das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM. Hierzu ist der Gate-Anschluss des Abtastschalters T3 mit dem Steuereingang CTRL der erfindungsgemäßen Messverstärkerschaltung 1 verbunden.
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Schließlich weist die erfindungsgemäße Messverstärkerschaltung 1 einen Signalausgang 9 auf, an dem ein Ausgangssignal OUT ausgegeben wird, wobei das Ausgangssignal OUT den Spannungsabfall über dem Messwiderstand RM und damit den durch den Aktor 2 fließenden Strom 1 wiedergibt.
