DE10320521B4

DE10320521B4 - Elektrische Ansteuerungsvorrichtung für Steuerelemente sowie Verfahren zur Ansteuerung von Steuerelementen

Info

Publication number: DE10320521B4
Application number: DE10320521.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Kolarsky; Georg Weick; Andreas Schmidtlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: DE10320521A1; CN1542577A; US20040262988A1

Abstract

Elektronische Ansteuerungsvorrichtung für Steuerelemente (9)eines Kraftfahrzeugs, wobei mehrere Steuerelemente (9) ansteuerseitig mit einer elektrischen Ansteuerung beaufschlagt werden und eine zeitlich asynchrone Ansteuerung mindestens eines der Steuerelemente (9) zu mindestens einem anderen der Steuerelemente (9) oder mindestens einer Gruppe von anderen Steuerelementen (9) vorgesehen ist, und wobei die Ansteuerung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung ist, deren Frequenz in Abhängigkeit von den verwendeten Steuerelementen gewählt ist, wobei die asynchrone Ansteuerung mittels mindestens einer per Zufallsgenerator erzeugten Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale erfolgt oder dass die Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale von mindestens einer Zustandsgröße des Kraftfahrzeugs bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Ansteuerungsvorrichtung für Steuerelemente, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei mehrere Steuerelemente ansteuerseitig mit einer elektrischen Ansteuerung beaufschlagt werden und ein Verfahren zur Ansteuerung von Steuerelementen.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu die folgenden Schriften bekannt: DE 39 23 175 C2 , DE 42 31 799 A1 und DE 199 57 713 A1 .
Eine derartige elektrische Ansteuerungsvorrichtung ist bekannt. Sie wird beispielsweise bei einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die Ansteuerung der als Regel- und Schaltventile ausgebildeten Steuerelemente erfolgt synchron mit einer pulsweitenmodulierten (PWM) Frequenz von beispielsweise 4 kHz. Mit dieser Frequenz ändert sich der Stromfluss durch die Ventilspulen. Dies führt zu entsprechenden Einschaltströmen und Geräuschentwicklungen beweglicher, von den Kräften der Magnetfelder beaufschlagter Teile der Schaltventile.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht der Vorteil, dass die zeitlich asynchrone Ansteuerung mindestens eines der Steuerelemente zu einem anderen der Steuerelemente oder einer Gruppe von anderen Steuerelementen eine Reduktion der Einschaltstromspitze und/oder der Geräuschentwicklung ergibt, da durch den zeitlichen Versatz des Ansteuerungsvorgangs keine additive Überlagerung sämtlicher Parameter stattfindet, sondern ein zeitlicher Versatz vorliegt, der insgesamt zur Reduktion der beteiligten Größen bis hin zur teilweisen gegenseitigen Auslöschung führt. Es wird damit die Einschaltstromspitze abgebaut, woraus auch eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) resultiert. Insgesamt überlagern sich die Geräuschamplituden somit nicht mehr additiv im gleichen Zeitpunkt. Dies gilt auch für die Stromspitzen beim Schalten der Magnetventile. Zusatzbeschaltungen, wie Kondensatoren der Schaltventile, die zur EMV-Entstörung der Stromspitzen eingesetzt sind, können aufgrund der Erfindung für eine geringere Verlustleistung dimensioniert werden, so dass sich der Gesamteinsatz verringert. Da mindestens eines der Steuerelemente zu mindestens einem anderen Steuerelement asynchron geschaltet ist, ergeben sich folgende Möglichkeiten: Ein Steuerelement wird asynchron zu einem anderen Steuerelement geschaltet oder ein Steuerelement wird asynchron zu einer Gruppe von anderen Steuerelementen geschaltet oder eine Gruppe von Steuerelementen wird asynchron zu einem anderen Steuerelement geschaltet oder eine Gruppe von Steuerelementen wird asynchron zu einer Gruppe von anderen Steuerelementen geschaltet. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn nicht nur zwei Steuerelemente und/oder Gruppen von Steuerelementen vorliegen, sondern mehr als zwei.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuerelement ein Magnetventil ist. Das Magnetventil kann bevorzugt in einem Bremskreis eines Kraftfahrzeugs eingesetzt sein.
Die Ansteuerung der Steuerelemente erfolgt mittels mindestens einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung. Die Impulsweite bestimmt den jeweiligen Ansteuerzeitpunkt für das Einschalten beziehungsweise Ausschalten des entsprechenden Magnetventils oder der Gruppe entsprechender Magnetventile. Die Frequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuerung wird in Abhängigkeit von den verwendeten Steuerelementen gewählt und liegt -wie vorstehend erwähnt- beispielsweise bei 4 kHz.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die asynchrone Ansteuerung mittels fest vorgegebener Phasenverschiebungen der Ansteuersignale erfolgt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Phasenverschiebungen per Zufallsgenerator gewählt werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Phasenverschiebung bei der Ansteuerung von bestimmten Parametern der Einrichtung und/oder des Kraftfahrzeugs abhängig ist. So können als Parameter beispielsweise die Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs herangezogen werden. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten kann beispielsweise eine andere Phasenverschiebung vorgenommen werden als bei niedrigeren Fahrgeschwindigkeiten, so dass die Phasenverschiebung somit von dem Parameter der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist.
Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zwar zeigen:

1 eine elektrische Ansteuerungsvorrichtung mit zwei Steuerelementen und deren Ansteuerungssignalen,
2 die bekannte phasengleiche Überlagerung zweier Signale,
3 zwei Signale mit ca. 75° Phasenverschiebung und deren Überlagerung,
4 zwei Signale mit 180° Phasenverschiebung und deren Überlagerung, und
5 einen Vergleich der Verlustleistungen bei fehlender Phasenverschiebung und bei einer Phasenverschiebung um 180°.

1 zeigt einen elektrischen Aufbau und dessen Ansteuerung gemäß der erfindungsgemäßen Lehre. V1 ist die Spannungsquelle der gezeigten Anordnung, die zum Beispiel als Akkumulator oder als Brennstoffzelle ausgeführt sein kann. Das elektrische Netzwerk mittels dessen die Versorgungsspannung in der benötigten Form an die Verbraucher weitergegeben wird, ist mittels der Induktivität L1, den Widerständen R1 und R2, der Kapazität C1 und der Diode D6 ersatzschaltbildhaft wiedergegeben. Die aus dem Netzwerk resultierende Versorgungsspannung liegt dann zwischen den Klemmen 1 und 2 an. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerelemente 9, hier als erstes Magnetventil 3 und zweites Magnetventil 4 ausgeführt, parallel an die Klemmen 1 und 2 angeschlossen. Jedes Magnetventil weist eine Impedanz 5 beziehungsweise 6 auf, die symbolisch als Widerstand R3 beziehungsweise R6 und als Induktivität L2 beziehungsweise L3 dargestellt sind. Des Weiteren weisen die Magnetventile 3 beziehungsweise 4 eine Schutzdiode D7 beziehungsweise D8 auf. Mittels eines elektronischen Schalters S1 beziehungsweise S2, z.B. Halbleiterschalter, werden die Magnetventile 3 beziehungsweise 4 ein- oder ausgeschaltet, wobei das Schaltverhalten der Schalter S1 beziehungsweise S2 von den Steuerspannungen V11 beziehungsweise V12 kontrolliert wird. Damit ist ersichtlich, dass die Magnetventile 3 und 4 an einer gemeinsamen Betriebsspannung hängen, der Betriebszustand der Magnetventile aber unabhängig voneinander mittels der Steuerspannungen V11 und V12 beeinflusst werden kann.
Die erfindungsgemäße asynchrone Ansteuerung der Magnetventile 3 und 4 wird beispielhaft mittels des V11-Signalverlaufs 7 und des V12-Signalverlaufs 8 verdeutlicht. Dabei werden die Signale von einer -nicht gezeigten- elektronischen Ansteuerungsvorrichtung erzeugt und mittels elektrischer Verbindungen an den jeweiligen Schalter S1 beziehungsweise S2 geleitet. Der Signalverlauf 7 zeigt zum Zeitpunkt t = 0 einen Anstieg des Pegels von VOFF nach VON. Bis zum Zeitpunkt t = 2/3T verbleibt das Signal auf dem Pegel VON und geht danach auf den Pegel VOFF zurück, bevor es zum Zeitpunkt t = T erneut auf den Pegel VON ansteigt und sich dann der beschriebene Ablauf wiederholt. Mittels dieses Signals wird das Magnetventil 3 in einem kontrollierten partiellen Öffnungszustand gehalten, der die Weitergabe eines bestimmten Drucks beziehungsweise den Durchfluss einer gewünschten Flüssigkeitsmenge bewirkt.
Der V12-Signalverlauf 8 weist dieselbe Signalfolge wie der V11-Signalverlauf 7 auf, wobei aber ein zeitlicher Versatz -repräsentiert durch die Phasenverschiebung φ- gewählt wurde. Der Vergleich zwischen dem V11-Signalverlauf 7 und dem V12-Signalverlauf 8 offenbart, dass die Schaltzeitpunkte asynchron liegen. Dies bedeutet, dass die beweglichen Teile der Magnetventile 3 und 4 nunmehr zu unterschiedlichen Zeitpunkten betätigt werden, und dass damit eine direkte Überlagerung von Stromspitzen und/oder Geräuschentwicklungen effektiv vermieden wird.
Die 2, 3 und 4 zeigen beispielhaft welches Ergebnis sich aus der Überlagerung zweier gleichfrequenter sinusförmiger Signale mit gleicher Amplitude bei verschiedenen Phasenverschiebungen einstellt. Dies ist von großer Bedeutung, weil sich rechteckförmige Signale, wie zum Beispiel der V11-Signalverlauf 7 oder der V12-Signalverlauf 8, bekanntermaßen vollständig in einzelne sinusförmige Signale zerlegen lassen.
2 zeigt die gleichfrequenten Signale S1 und S2, die dieselbe Amplitude mit dem Wert 1 und keine Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen. Die Addition der Signale S1 und S2 ergibt das Summationssignal SUM, welches bei gleicher Frequenz und bei gleicher Phase die doppelte Amplitude mit dem Wert 2 aufweist. Diese phasengleiche Überlagerung zeigt den Stand der Technik und wird gemäß der Erfindung vermieden.
3 zeigt dieselben Signale S1 und S2, die hier aber um ca. 75° in ihrer Phase gegeneinander verschoben sind. Im Vergleich zum Summationssignal der 2 weist das Summationssignal SUM der 3 bei gleicher Frequenz eine reduzierte Amplitude auf. Im Falle von Schallwellen bedeutet dies, dass zwar eine Verstärkung gegenüber dem einzelnen Signal S1 beziehungsweise S2 stattfindet, dass diese Verstärkung aber deutlich geringer ist als bei der in 2 gezeigten gleichphasigen Addition.
4 zeigt schließlich den Idealfall einer vollständigen Auslöschung des Summationssignals bei einer Phasenverschiebung von 180°. Mittels bekannter Verfahren (z.B. einer Frequenzanalyse mittels Fouriertransformation) lassen sich die Frequenzen bestimmen, deren Amplitudenreduktion und/oder Auslöschung gewünscht ist, wodurch dann mittels einer geeigneten Phasenverschiebung des V11-Signalverlaufs 7 und des V12-Signalverlaufs 8 eine möglichst weitgehende Auslöschung bewirkt werden kann.
5 zeigt die in der Schaltung entstehende Verlustleistung P in Abhängigkeit vom Strom I, der die Magnetventile auf dem Weg von der Klemme 1 zur Klemme 2 durchfließt. Während sich bei fehlender Phasenverschiebung bei ansteigendem Strom der bekannte Anstieg P0 der Verlustleistung zeigt, so bleibt der Verlauf P180 der Verlustleistung bei einer Phasenverschiebung um 180° bei ansteigendem Strom weit unter der Verlustleistung bei fehlender Phasenverschiebung. In diesem Beispiel zeigt sich sogar, dass durch optimale Auslöschungseffekte die Verlustleistung bei einem Stromwert von 9 ein Minimum aufweist.
Es versteht sich dass auch andere Steuerelemente verwendet werden können und dass auch mehrere, insbesondere zu Gruppen zusammengeschaltete Steuerelemente asynchron betrieben werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Elektronische Ansteuerungsvorrichtung für Steuerelemente (9)eines Kraftfahrzeugs, wobei mehrere Steuerelemente (9) ansteuerseitig mit einer elektrischen Ansteuerung beaufschlagt werden und eine zeitlich asynchrone Ansteuerung mindestens eines der Steuerelemente (9) zu mindestens einem anderen der Steuerelemente (9) oder mindestens einer Gruppe von anderen Steuerelementen (9) vorgesehen ist, und wobei die Ansteuerung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung ist, deren Frequenz in Abhängigkeit von den verwendeten Steuerelementen gewählt ist, wobei die asynchrone Ansteuerung mittels mindestens einer per Zufallsgenerator erzeugten Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale erfolgt oder dass die Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale von mindestens einer Zustandsgröße des Kraftfahrzeugs bestimmt ist.
Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerelemente (9) Magnetventile (3,4) sind.
Ansteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Magnetventile (3,4) einem Bremskreis des Kraftfahrzeugs angehören.
Ansteuerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustandsgröße die Temperatur mindestens eines bestimmten Aggregats des Kraftfahrzeugs oder die Fahrgeschwindigkeit ist.
Verfahren für die elektrische Ansteuerung von Steuerelementen (9)eines Kraftfahrzeugs, wobei mehrere Steuerelemente (9) ansteuerseitig mit einer elektrischen Ansteuerung beaufschlagt werden und die Ansteuerung mindestens eines der Steuerelemente (9) zu mindestens einem anderen der Steuerelemente (9) oder zu mindestens einer Gruppe von anderen Steuerelementen (9) zeitlich asynchron erfolgt, und wobei die Ansteuerung eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung ist, deren Frequenz in Abhängigkeit von den verwendeten Steuerelementen gewählt wird, wobei die asynchrone Ansteuerung mittels mindestens einer per Zufallsgenerator erzeugten Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale erfolgt oder dass die Phasenverschiebung der Ansteuerungssignale von mindestens einer Zustandsgröße des Kraftfahrzeugs bestimmt ist.