DE10310670A1

DE10310670A1 - Verfahren und Vorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils

Info

Publication number: DE10310670A1
Application number: DE2003110670
Authority: DE
Inventors: Jens Kolarsky; Georg Weick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils, bei dem die Pulsdauer und/oder die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird.

Description

Stand der Technik
In vielen Antiblockier-, Antriebschlupfreglungs- und Fahrdynamikregelungssystemen werden die Magnetventile der Bremskreise pulsweitenmoduliert mit einer festen Frequenz fpwm angesteuert, um verschiedene Bestromungen realisieren zu können.
Die im Magnetventil erzeugte Magnetkraft ist abhängig vom durch die Magnetspule fließenden Strom. Das bedeutet, dass auch die Magnetkraft mit der Frequenz fpwm moduliert ist. Dadurch oszilliert der gesamte Magnetkreis mit fpwm, was sich in einem hörbaren Pfeifgeräusch äußert.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Pulsdauer und/oder die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird. Dadurch wird es möglich, bei der Ansteuerung von Magnetventilen auftretende Pfeifgeräusche wesentlich zu mindern oder zu eliminieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Pulsen um Spannungspulse handelt. Spannungsimpulse sind zur Ansteuerung von Magnetventilen besonders geeignet und besonders einfach zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird und
– dass die Pulsdauer innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt. Dadurch wird ein zweistufiges Vorgehen ermöglicht:
– Durch die zufällige Variation der Periodendauer werden die Pfeifgeräusche reduziert oder eliminiert.
– Der Faktor (z.B. 0.5), mit dessen Hilfe sich die Pulsdauer aus der Periodendauer ergibt, kann nun zeitabhängig je nach gewünschter Ansteuerung (z.B. gewünschter Öffnung des Ventils, ein Faktor 0.8 bedeutet eine weite Öffnung und ein Faktor 0.2 bedeutet eine geringe Öffnung) des Ventils gewählt werden. D.h. bei dem vorgebbaren oder vorgegebenen Faktor handelt es sich um keinen zufälligen Wert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert variiert wird Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass

– die Periodendauer vorgegeben wird und
– dass die Pulsdauer innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt, wobei für jede Periode der Faktor individuell nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird.

Auch hier wird ein zweistufiges Vorgehen ermöglicht:

– Durch die zufällige Variation des Faktors (z.B. zwischen 0.1 und 0.9) werden die Pfeifgeräusche reduziert oder eliminiert.
– Die zeitabhängige (und nicht zufällige) Vorgabe der Periodendauer kann je nach gewünschter Ansteuerung (z.B. gewünschter Öffnung) des Ventils gewählt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Magnetventil um ein Magnetventil in einem Bremskreis eines Straßenfahrzeugs handelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils umfasst

– einen Zufallszahlengenerator zur Erzeugung von Zufallzahlen sowie
– einen Pulsgenerator, bei dessen Pulsen die Pulsdauer und/oder die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem durch den Zufallszahlengenerator bestimmten Zufallsprinzip variiert wird.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich selbstverständlich auch als entsprechende vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt.
Zeichnung Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 4.
In 1 ist die konventionelle Ansteuerung eines Magnetventils dargestellt.
In 2 ist die erfindungsgemäße Ansteuerung eines Magnetventils dargestellt.
In 3 ist ein weiteres Spektraldiagramm dargestellt, welches das Verständnis von 2 erleichtern soll.
In 4 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Ausführungsbeispiele
sIn vielen Antiblockier-, Antriebschlupfreglungs- und Fahrdynamikregelungssystemen werden die Magnetventile der Bremskreise pulsweitenmoduliert mit einer Frequenz fpwm von beispielsweise fpwm = 4 kHz angesteuert, um verschiedene Bestromungen realisieren zu können.
Die im Magnetventil erzeugte Magnetkraft ist abhängig vom durch die Magnetspule fließenden Strom. Das bedeutet, dass auch die Magnetkraft mit der Frequenz fpwm moduliert ist. Dadurch oszilliert der gesamte Magnetkreis mit fpwm, was sich in einem hörbaren Pfeifgeräusch äußert. Dieses Pfeifgeräusch ist im Fahrzeug hörbar. Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung mit einem variablen (d.h. nichtkonstanten oder stochastisch veränderlichen) Wert der Frequenz fpwm kann das Pfeifgeräusch minimiert werden.
In 1 ist im linken Diagramm in Abszissenrichtung die Zeit t aufgetragen, in Ordinatenrichtung sind die Ventilspannung U_ventil und der Ventilstrom I_ventil aufgetragen. Der Verlauf der Ventilspannung ist mit durchgezogene Linien eingezeichnet (Rechteckpulse), der Verlauf der Ventilstroms ist strichliert eingezeichnet (exponentialfunktionsartiger Anstieg und Abklingen). Dabei besteht die Ventilspannung aus Rechteckpulsen, welche mit einer Frequenz von 4 kHz bzw. einem zeitlichen Abstand von 250 Mikrosekunden aufeinander folgen.
Die rechte Seite von 4 zeigt in Abszissenrichtung die Frequenz f und in Ordinatenrichtung den Strom I_ventil, d.h. es handelt sich um den Frequenzgang des Stromes. Es ist die Amplitude der Grundfrequenz bei 4 kHz sowie deren Oberwellen (8 kHz, 12 kHz,...) eingezeichnet.
Die erfindungsgemäße pulsweitenmodulierte Ansteuerung ist in 2 dargestellt. Dabei entspricht das linke Diagramm dem linken Diagramm von 1, das rechte Diagramm entspricht dem rechten Diagramm von 1. Die rechteckigen Spannungspulse haben nun eine für den jeweiligen Puls zufällig berechnet Länge. Es hat sich als günstig erwiesen, die Frequenz fpwm zufällig zwischen 2 kHz und 5 kHz zu wählen, d.h. die Zeit zwischen dem Beginn eines Pulses und dem Beginn seines Folgepulses nimmt einen ständig wechselnden, zufälligen und nicht vorhersagbaren Wert zwischen 200 Mikrosekunden und 500 Mikrosekunden an. Die zum jeweiligen Zeitpunkt aktuelle Frequenz kann beispielsweise durch einen Zufallszahlengenerator erzeugt werden. Der Begriff des Zufallszahlengenerators ist dabei auch im technischen Sinne zu verstehen. Das bedeutet, es kann sich auch um einen „Pseudozufallsgeneratorgenerator" handeln, welcher „Pseudozufallszahlen" generiert. Unter dem Begriff der "Pseudozufallszahlen" werden dabei beispielsweise Zahlen verstanden, der Verlauf über einen gewissen überblickbaren Zeitraum betrachtet rein zufällig und nicht vorhersagbar wirkt, welche sich jedoch nach einem sehr langen Zeitraum wiederholen, d.h. deren Verlauf streng genommen periodisch ist.
In 2 kennzeichnet 200 die Pulsdauer und 201 kennzeichnet die Periodendauer.
Im rechten Diagramm von 2 ist wiederum die Spektraldichte der Ventilstroms über der Frequenz aufgetragen. Dieser weist nun ein deutlich weniger ausgeprägtes Maximum als bei 1 auf.
Dies kann man sich anschaulich anhand von 3 klarmachen, welche im wesentlichen dem rechten Diagramm von 2 ent spricht. Die ausgeprägte Spektrallinie der Grundfrequenz von 1 wird durch die Ansteuerung mit variabler Frequenz fpwm von einer nadelförmigen Spitze mit großer Amplitude (siehe 1) in eine breiteren Balken mit kleinerer Amplitude umgewandelt. Während die Spitze in 1 exakt bei fpwm = 4 kHz lokalisiert war, erstreckt sich der breitere Balken in 3 von fpwm = 2 kHz bis fpwm = 5 kHz. Der nächste Bereich in 3, welcher sich von 4 kHz bis 10 kHz erstreckt, entspricht der 1. Oberwelle in 1 (mit 8 kHz). Der im rechten Diagramm eingezeichnete „glatte" Kurvenverlauf ist aus der Überlegung gemäß 3 durch eine Glättung hervorgegangen.
Der Faktor, mit dem die Pulsdauer und die Periodendauer zusammenhängen, beträgt in den 1 und 2 jeweils 0.5. Das bedeutet anschaulich, dass das Zeitintervall 200 die halbe Dauer des Zeitintervalls 201 hat, d.h. während der halben Periodendauer liegt ein Spannungspuls am Ventil an.
Das Pfeifgeräusch bei konventioneller Ansteuerung erscheint bei Ansteuerung mit variabler Frequenz fpwm als leiseres Rauschen, welches in einem Fahrzeug nicht mehr hörbar ist.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 4 dargestellt. Dieses enthält einen Zufallszahlengenerator 401 zur Erzeugung von Zufallzahlen sowie einen Pulsgenerator (402), bei dessen Pulsen die Pulsdauer und/oder die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem durch den Zufallszahlengenerator bestimmten Zufallsprinzip variiert wird. Die Pulse werden an ein Magnetventil 403 geliefert, welches wiederum zur Ansteuerung von Bremsaktuatoren 404 verwendet wird.

Claims

Verfahren zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils, dadurch gekennzeichnet, dass – die Pulsdauer (200) und/oder die Periodendauer (201) der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Pulsen um Spannungspulse handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periodendauer (201) der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird und – dass die Pulsdauer (200) innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer (201) zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert variiert wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periodendauer (201) vorgegeben wird und – dass die Pulsdauer (200) innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer (201) mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt, wobei für jede Periode der Faktor individuell nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Magnetventil um ein Magnetventil in einem Bremskreis eines Straßenfahrzeugs handelt.
Vorrichtung zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung eines Magnetventils, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung einen Zufallszahlengenerator (401) zur Erzeugung von Zufallzahlen sowie – einen Pulsgenerator (402), bei dessen Pulsen die Pulsdauer und/oder die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem durch den Zufallszahlengenerator bestimmten Zufallsprinzip variiert wird enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periodendauer (201) der aufeinanderfolgenden Ansteuerpulse nach einem Zufallsprinzip variiert wird und – dass die Pulsdauer (200) innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periodendauer (201) vorgegeben wird und – dass die Pulsdauer (200) innerhalb einer Periode sich durch Multiplikation der Periodendauer (201) mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor ergibt, wobei für jede Periode der Faktor individuell nach dem Zufallsprinzip ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Magnetventil um ein Magnetventil in einem Bremskreis eines Straßenfahrzeugs handelt.