-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Steuerschaltungen für eine elektrische Pumpe, die in Bremskreise für Fahrzeuge integriert ist, und auf ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Pumpe.
-
Bekanntermaßen wird ein Hydraulikbremskreis eines Fahrzeugs vorgesehen, der einen Hydraulikkreis umfasst, der eine Druckquelle mit einem Kolben eines Bremssattels verbindet. Die Druckquelle kann einen Fluidbehälter umfassen, der durch eine elektrische Pumpe gefüllt wird. Das mit Druck beaufschlagte Fluid in dem Behälter kann alternativ oder zusätzlich zu der Druckerhöhung, die auftritt, wenn ein Fahrer zum Betreiben eines Hauptzylinders auf ein Bremspedal des Fahrzeugs, drückt, verwendet werden. Der durch den Behälter bereitgestellte zusätzliche Druck kann dazu verwendet werden, den Bremskreis bei anfänglicher Detektion des Drückens des Bremspedals durch einen Fahrer vorzubefüllen, wodurch die Zeit, die dazu benötigt wird, die Bremsen auf einen zur Erzeugung einer brauchbaren Bremskraft ausreichenden Druck zu bringen, reduziert wird. Er kann auch zur Bereitstellung einer Notbremsung verwendet werden, beispielsweise kann, wenn ein Sensor detektiert, dass eine Notbremsung erforderlich ist, die Pumpe zur Erzeugung des zu einer Betätigung der Bremsen, die von dem Betrieb des Bremspedals unabhängig ist, erforderlichen Drucks verwendet werden. Darüber hinaus kann er zur Bereitstellung elektronischer Stabilitätssteuerung verwendet werden, wobei die Bremsen betätigt werden, wenn das Fahrzeug Traktion verliert.
-
Der Druck in dem Kreis kann durch eine elektrische Pumpe erhöht werden, und im Stand der Technik umfassen elektrische Pumpen Motoren, die durch Hochfrequenzimpulsbreitenmodulation der an die Pumpe angelegten Spannung angetrieben werden. Dadurch wird eine genaue Steuerung des durch die Pumpe bereitgestellten Drucks während der Betätigung der Bremsen oder während eines Assistenzmodus, wie z. B. ABS-Betriebs der elektronischen Stabilitätssteuerung, ermöglicht. Die Größe des eingesetzten Motors wird in der Regel so gewählt, dass der maximale Druck, der während einem dieser Betriebsvorgänge erforderlich wird, erzielt werden kann, wenn der Motor mit Spitzenbetriebsnennleistungen betrieben wird. Für Drücke unter diesem Spitzenwert reduziert die PWM-Modulation die durchschnittliche Spannung, die an den Motor angelegt wird, wodurch die Motordrehzahl reduziert wird.
-
Eine wichtige Anforderung an die Pumpe ist die Fähigkeit, den Druck in dem Kreis zu Beginn eines Halts rapide zu erhöhen. Je schneller die Pumpe den Druck in dem System erhöhen kann, desto schneller liegt genügend Druck für das Betätigen der Bremsen vor und desto schneller kann das Fahrzeug angehalten werden. Dadurch wird der Bremsweg reduziert und die Sicherheit erhöht. Die Rate, mit der eine Pumpe den Druck erhöhen kann, wird allgemein durch den Hubraum der Kolben oder das überstrichene Volumen der Flügel der Pumpe und die Spitzenleistung des Elektromotors, der zur Bewegung der Kolben oder Flügel verwendet wird, bestimmt. Eine größere Pumpe erfordert zu ihrem Antrieb einen Motor mit einer höheren Leistung. Eine leistungsstärkere Pumpe und ein leistungsstärkerer Motor sind in der Lage, den Druck des Fluids für eine gegebene Spitzeneingangsspannung schneller zu erhöhen als eine kleinere bzw. ein kleinerer, da der größere Motor versucht, mehr Strom von dem Motor aufzunehmen. Jedoch sind größere Motoren nicht erwünscht, da sie kostenintensiver als kleinere Motoren sind.
-
Die Leistung, die von dem Motor aufgenommen werden kann, wird bei Systemen des Stands der Technik durch die von der Batterie zur Verfügung stehende Spannung beschränkt. Die Einstellung liegt bei einem Personenkraftwagen, wie z. B. einem Auto oder einem Leichttransporter, in der Regel bei ungefähr 13–14 Volt und kann nicht ohne eine Umkonstruktion aller anderen elektrischen Komponenten des Fahrzeugs erhöht werden. Die Spannung kann bei einigen Hochlastbedingungen weit unter diesen Wert, möglicherweise auf unter 10 Volt, fallen. Durch die Verwendung eines leistungsstärkeren Motors wird mehr Strom aufgenommen, jedoch ist dies oftmals nicht wünschenswert. Durch die Aufnahme von mehr Strom wird nicht nur der Energieverbrauch erhöht, sondern auch die Rate, mit der sich die Batterie leert, erhöht. Dies ist insbesondere bei Luxusfahrzeugen der Fall, die eine höhere Anzahl anderer an Bord befindlicher elektrischer Systeme, wie z. B. Klimaanlagen, beheizte Sitze, elektrische Scheibenheizung, Audiosysteme usw., aufweisen können, die auch einen hohen Strombedarf haben. Zu viel Strom kann eine Entladung der Batterie verursachen. Ein weiteres mögliches Problem, das bei einer hohen Stromentnahme auftreten kann, besteht darin, dass sie eine Überhitzung des Kabelstrangs verursachen kann. Dies könnte durch eine Erhöhung der Stärke der Kabel in dem Kabelstrang verbessert werden, jedoch werden dadurch Kosten und Gewicht erhöht.
-
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das Problem der Bereitstellung einer rapiden Erhöhung des Drucks in einem Bremssystem bei gleichzeitiger Beschränkung des durchschnittlichen durch die elektrische Pumpe aufgenommenen Stroms anzugehen.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Treiberschaltung für einen Elektromotor, der Teil einer Pumpe in einem Hydraulikbremskreis eines Fahrzeugs ist, bereitgestellt, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst:
einen Eingangsknoten, einen Ausgangsknoten und eine Spannungs- und Stromregelschaltung, die die Knoten verbindet und die die Spannung und den Strom, die bzw. der dem Ausgangsknoten von dem Eingangsknoten zugeführt werden, als Reaktion auf eine Modulationsstrategie variiert,
wobei der Eingangsknoten im Gebrauch mit einer Batterieversorgung eines Fahrzeugs verbunden ist und der Ausgangsknoten mit einer Seite des Elektromotors verbunden ist,
wobei die Spannungs- und Stromregelschaltung eine Schaltnetzteilschaltung umfasst, die dazu in der Lage ist, an dem Ausgangsknoten eine Spannung bereitzustellen, die entweder über oder unter der Batterieversorgungsspannung am Eingangsknoten liegt.
-
In der Vergangenheit hat die Treiberschaltung lediglich eine Spannungsbegrenzungsfunktion(-abwärtsregelungsfunktion) bereitgestellt, wobei die Ausgangsspannung stets der Batterieversorgungsspannung entspricht oder darunter liegt. Die vorliegende Erfindung stellt eine PWM-Steuerung bereit, die ermöglicht, dass die an den Motor angelegte Spannung die Batteriespannung überschreitet. Dadurch wird die Flexibilität zur Verringerung der Zeit, die der Motor zum Anlaufen benötigt, bereitgestellt, indem ein Zeitraum erhöhter Leistung bei gleichzeitigem Managen des durchschnittlichen über einen gegebenen Zeitraum hinweg durch den Motor verbrauchten Stroms bereitgestellt wird. Bei Betrieb im Aufwärtsregelungsmodus kann mehr Leistung für einen gegebenen durchschnittlichen Strom angelegt werden, wodurch gestattet wird, dass ein kleiner Motor für eine gegebene Druckanstiegsrate verwendet wird, wobei ein größerer Motor für einen reinen Abwärtsregler erforderlich wäre. Dadurch wird das Erfordernis größerer und kostenintensiverer Motoren reduziert.
-
Das Schaltnetzteil kann somit eine Abwärts-Aufwärts-Schaltung umfassen, die einen Aufwärtsregler gefolgt von einem Abwärtsregler umfasst, wobei sich der Abwärts- und der Aufwärtsteil gemeinsame Komponenten teilen.
-
Die Schaltnetzteilschaltung kann eine PWM-Steuerung umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine impulsbreitenmodulierte Steuerung bereitzustellen, die den Strom und die Spannung, der bzw. die an dem Ausgangsknoten bereitgestellt wird, steuert.
-
Der Aufwärtsteil der Treiberschaltung kann die folgenden Teile umfassen:
Eine Induktivität, die mit dem Eingangsknoten und einem Zwischenknoten in Reihe geschaltet ist, einen Schalter, der den Zwischenknoten mit einer Masse verbindet, einen zweiten Schalter, der mit dem Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten, der einen Eingang zu der Aufwärtsschaltung bildet, in Reihe geschaltet ist, und einen Kondensator, der zwischen den zweiten Zwischenknoten und die Masse geschaltet ist.
-
Der Aufwärtsteil der Treiberschaltung kann die folgenden Teile umfassen:
Einen ersten Schalter, der zwischen dem zweiten Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten in Reihe geschaltet ist, einen zweiten Schalter, der zwischen dem Ausgangsknoten und der Masse in Reihe geschaltet ist, und den Kondensator, der den zweiten Zwischenknoten mit der Masse verbindet.
-
Die Abwärts-Aufwärts-Schaltungen teilen sich somit einen gemeinsamen Kondensator und eine gemeinsame Induktivität.
-
Die Induktivität der Aufwärtsschaltung kann Teil eines EMV-Filters sein, der den Motor vor Störungen schützt, die in der Batterieversorgungsleitung vorliegen können. Der Filter kann beispielsweise einen zwischen den Eingangsknoten und die Masse geschalteten zweiten Kondensator umfassen, der in Kombination mit der Induktivität wirkt.
-
Dies ist insofern vorteilhaft, da die Anzahl erforderlicher Komponenten auf ein Minimum reduziert wird, da die Funktion von Eingangsfilter und Aufwärtsregelung mit einer gemeinsamen Induktivität geteilt wird.
-
Die PWM-Steuerung kann eine Impulsbreitenmodulationsschaltung umfassen, die entsprechende impulsbreitenmodulierte Steuersignale zum dahingehenden Öffnen und Schließen jedes der Schalter der Spannungs- und Stromregelschaltung je nach Bedarf, dem Motor die erforderlichen Spannungen zuzuführen, erzeugt.
-
Die Steuerung kann im Gebrauch PWM-Signale bereitstellen, die dazu führen, dass die Treiberschaltung die folgende Funktion ausführt:
Während eines ersten Zeitraums nach dem Starten des Motors Bewirken, dass die Treiberschaltung die dem Motor zugeführte Spannung auf einer verstärkten Spannung hält, die die am Eingangsknoten vorliegende Spannung für einen zweiten Zeitraum überschreitet; und
Nach Verstreichen des ersten Zeitraums bewirken die PWM-Signale, dass die Treiberschaltung dem Motor eine reduzierte Spannung zuführt, die weniger als die an dem Eingangsknoten vorliegende Spannung beträgt (ein Abwärtsregelungsmodus).
-
Der erste Zeitraum kann der Zeitspanne entsprechen, die die durch den Motor angetriebene Pumpe dazu benötigt, den Druck in dem Hydrauliksystem auf einen vordefinierten erhöhten Pegel zu bringen. Dieser Pegel kann den umfassen, der für eine vollständige Druckbeaufschlagung des Systems erforderlich ist.
-
Die Steuerung kann darüber hinaus beim Starten des Motors zu Beginn des ersten Zeitraums PWM-Signale bereitstellen, die bewirken, dass die Treiberschaltung den dem Motor zugeführten Strom für einen ersten Zeitraum auf einem vorbestimmten Nennwert hält.
-
Der kurze Anfangszeitraum, zu dem der Strom auf einem konstanten Wert gehalten wird, gestattet, dass ein schnelles Hochrampen der Motordrehzahl ohne einen übermäßigen Einschaltstromstoß, der ansonsten aufgrund der geringen Induktivität von Motoren beim Starten auftreten kann, erreicht wird. Zur Optimierung des Rampens der Motordrehzahl kann der Strom während dieses Zeitraums bei dem höchsten zulässigen Dauerstromwert für die Schaltung oder sogar über diesem Pegel gehalten werden. Dieser variiert von Anwendung zu Anwendung und wird in der Regel durch die von der Batterieversorgungsschaltung gestattete Wärmeableitung beschränkt.
-
Sobald eine Bewegung einsetzt, wenn die Induktivität des Motors gefallen ist und kein übermäßiger Einschaltstromstoß zu befürchten ist, wechselt die Treiberschaltung zur Zufuhr einer konstanten Spannung zu dem Motor, die die Batterieversorgungsspannung überschreitet. Dieser Modus gestattet, dass der Motor schneller hochdreht, als ohne eine verstärkte Spannung erzielt werden könnte, während durchschnittlich weniger Strom aufgenommen wird, als in dem ersten Zeitraum aufgenommen wurde. Die Spannung wird auf dem erforderlichen hohen Pegel gehalten und der Motor kann ungehindert nach Bedarf Strom aufnehmen.
-
Die Spannung in dem zweiten Modus kann etwa 20 Volt betragen, wenn die Batterieversorgungsspannung nominal 12 Volt bis 13 Volt beträgt.
-
Nachdem dieser zweite Zeitraum geendet hat und sich der Druck auf dem erforderlichen erhöhten Pegel befindet, wird der Motor auf eine typische spannungsgeregelte Art und Weise, die im Stand der Technik bekannt ist, gesteuert, wobei Spannungen unter der Versorgungsspannung gehalten werden, wodurch im Vergleich zu einem Aufwärtsregelungsmodus ein effizienterer Betriebsmodus von der Treiberschaltung bereitgestellt wird.
-
Die beschriebene Modireihenfolge, die nur durch eine Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann, gestattet, dass der Motor sehr schnell unter Verwendung der maximal zur Verfügung stehenden Leistung anlaufen gelassen wird, während die durchschnittliche Stromaufnahme niedriger gehalten wird, als ohne die Spannungsverstärkung möglich wäre. Dies liegt daran, dass die Aufwärtsregelungsphase gestattet, dass der Motor unter Verwendung von vergleichsweise weniger Strom für eine gegebene Leistungsaufnahme laufen gelassen wird (da Leistung = Strom multipliziert mit Spannung).
-
Die Steuerung kann in dem anfänglichen Konstantstrommodus für einen ersten Zeitraum arbeiten, der nur so lang ist, dass die Motorinduktivität auf einen Pegel fallen kann, wo die Spannung sicher verstärkt werden kann. Dieser erste Zeitraum kann weniger als ein Zehntel einer Sekunde dauern. Gleichermaßen kann der zweite Zeitraum so kurz wie möglich gehalten werden und enden, sobald der Druck in dem Kreis einen vorbestimmten Pegel erreicht hat. Dies kann etwa 1 Sekunde bis 2 Sekunden nach dem Starten sein.
-
Bei einer Weiterentwicklung kann die Steuerung während des anfänglichen Zeitraums einen Strom an den Motor anlegen, der zunächst die vorbestimmte dauerhaft zulässige Stromaufnahme für einen sehr kurzen Zeitraum überschreitet, wobei er allmählich oder schrittweise auf den nominalen Stromhöchstwert abgesenkt wird. Der Zeitraum, während dessen er sich auf dem hohen Pegel befindet, kann sehr kurz sein, womöglich unter 10 Prozent des anfänglichen Zeitraums. Dieser Stromanstieg gestattet, dass zunächst eine geringere Spannung zugeführt wird, wodurch für einen sanften Start für den Motor gesorgt wird.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bremskreis für ein Fahrzeug bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
einen Hydraulikkreis, der mindestens einen Bremskolben und ein eingeschlossenes Hydraulikfluidvolumen umfasst;
Eine Pumpe, die durch einen Elektromotor angetrieben wird und die bei Betrieb der Pumpe nach dem Starten des Motors die Druckbeaufschlagung des Fluids in dem Kreis rapide auf einen erhöhten Pegel erhöht;
und eine Motortreiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, die der Pumpe zugeordnet ist.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors einer Pumpe eines Hydraulikbremskreises während eines anfänglichen Zeitraums, der mit dem Starten des Motors nach einer Anforderung einer Erhöhung des Drucks in dem Kreis beginnt, bereitgestellt, wobei der Elektromotor durch eine Treiberschaltung mit einer Batterie eines Fahrzeugs verbunden ist, wobei die Batterie eine Versorgungsnennspannung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Während eines ersten vorbestimmten Zeitraums nach dem Starten des Motors Bewirken, dass die Treiberschaltung eine verstärkte Spannung an den Motor anlegt, die die Spannung, die am Eingangsknoten vorliegt, (ein Aufwärtsregelungsmodus) für einen zweiten Zeitraum überschreitet; und
- (b) nach Verstreichen des ersten Zeitraums Bewirken, dass die Treiberschaltung dem Motor eine reduzierte Spannung zuführt, die weniger als die an dem Eingangsknoten vorliegende Spannung beträgt (ein Abwärtsregelungsmodus).
-
Das Verfahren kann des Weiteren bei Starten des Motors zu Beginn des ersten Zeitraums Bewirken, dass die Treiberschaltung dem Motor für einen ersten Zeitraum einen konstanten Strom zuführt, umfassen.
-
In dem anfänglichen Zeitraum kann das Verfahren einen durchschnittlichen Strom anlegen, der gleich der gestatteten Dauerstromaufnahme von der Batterieversorgung ist. Er kann über den gesamten anfänglichen Zeitraum hinweg konstant sein.
-
Das Verfahren kann den ersten Zeitraum unmittelbar nach einer Anforderung des Startens des Motors beginnen.
-
In dem folgenden Zeitraum kann die höhere Spannung bei einem konstanten Höchstwert gehalten werden, der mindestens 10 Prozent oder mindestens 25 Prozent oder mindestens 50 Prozent über der Batterieversorgungsspannung liegt.
-
Durch die Bereitstellung eines kurzen anfänglichen Zeitraums nominalen Höchststroms zum Motor wird ein schneller Motorstart ohne das Vorliegen übermäßiger Spannungen, zu denen es aufgrund der geringen Induktivität von Motoren beim Starten kommen kann, erzielt.
-
Sobald eine Bewegung einsetzt, wenn die Induktivität des Motors gefallen ist, wechselt die Treiberschaltung zur Zufuhr einer konstanten Spannung, wodurch die Erhöhung der Rate, mit der der Motor weiter beschleunigt, unterstützt wird, während weniger Strom verwendet wird, als in dem ersten Zeitraum aufgenommen wurde. Nach der Beendigung des zweiten Zeitraums wird der Motor auf eine typische Art und Weise, die im Stand der Technik bekannt ist, gesteuert.
-
Dieser Schritt gestattet, dass der Motor sehr schnell unter Verwendung der maximal zur Verfügung stehenden Leistung anlaufen gelassen wird, während die durchschnittliche Stromaufnahme niedriger gehalten wird, als ohne die Spannungsverstärkung möglich wäre. Dies liegt daran, dass die Aufwärtsregelungsphase gestattet, dass der Motor unter Verwendung von vergleichsweise weniger Strom für eine gegebene Leistungsaufnahme laufen gelassen wird (da Leistung = Strom multipliziert mit Spannung).
-
Das Verfahren kann Bewirken, dass die Treiberschaltung in dem anfänglichen Modus für einen ersten Zeitraum arbeitet, der nur so lang ist, dass die Motorinduktivität auf einen brauchbaren Pegel fallen kann, umfassen. Dieser kann weniger als eine Sekunde dauern. Gleichermaßen kann der zweite Zeitraum so kurz wie möglich gehalten werden und enden, sobald der Druck in dem Kreis einen vorbestimmten Pegel erreicht hat.
-
Bei einer Weiterentwicklung kann das Verfahren während des anfänglichen Zeitraums Anlegen eines Stroms an den Motor, der zunächst die vorbestimmte dauerhafte Stromaufnahme für einen sehr kurzen Zeitraum überschreitet, wobei er allmählich oder schrittweise auf den nominalen Stromhöchstwert abgesenkt wird, umfassen. Der Zeitraum, während dessen er sich auf dem hohen Pegel befindet, kann sehr kurz sein, womöglich unter 10 Prozent des anfänglichen Zeitraums, was zum Bewirken einer Überhitzung der Batterieversorgungsschaltung zu kurz ist. Dieser Stromanstieg gestattet, dass zunächst eine geringere Spannung zugeführt wird, wodurch für einen sanften Start für den Motor gesorgt wird.
-
Das Verfahren ermöglicht, dass ein rapider Druckanstieg erzielt wird, während der durchschnittliche aufgenommene Strom auf einem niedrigeren Pegel, als unter Verwendung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik, das keine Spannungsverstärkung bereitstellt, erzielt werden könnte, gehalten wird.
-
Nun wird lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 eine Übersicht eines Fahrzeugs ist, wobei ein Teil einer Hydraulikbremskreis- und Pumpensteuerung gezeigt wird;
-
2 eine genauere Ansicht der Steuerung der Pumpe, des Motors und der Batterieversorgung ist;
-
3 ein Diagramm ist, das die Änderung bei Strom und Spannung am Motor mit der Zeit während der verschiedenen Betriebsmodi der Treiberschaltung während des Startens der elektrischen Pumpe zeigt;
-
4 ein Diagramm ist, das die Änderung bei Strom und Spannung am Motor mit der Zeit während eines anfänglichen Sanftstartbetriebsmodus der Steuerung zeigt; und
-
5 eine Tabelle ist, die den PWM-Betrieb jedes Wechsels der Treiberschaltung während der verschiedenen Modi zeigt.
-
Wie in 1 gezeigt wird, umfasst ein Fahrzeug (nicht gezeigt) einen Hydraulikbremskreis, der einem Kolben einer Bremse Hydraulikfluid zuführt. Der Kolben drückt einen Bremsbelag gegen einen Rotor, wobei der angelegte Druck durch den Druck des Fluids bestimmt wird. Beim normalen Fahren wird der Bremsbelag von dem Rotor entfernt gehalten und der Rotor dreht sich ungehindert mit dem zugeordneten Rad des Fahrzeugs. Während des Bremsens wird der Druck erhöht, wodurch bewirkt wird, dass die Reibungskraft zwischen dem Bremsbelag und dem Rotor zunimmt. Dadurch wird Wärme erzeugt, und die Umwandlung der Drehenergie der Scheibe in Wärme ist der hauptsächliche Mechanismus, durch den die Bremsen das Rad des Fahrzeugs verlangsamen.
-
Der Druck des Fluids wird dadurch gesteuert, dass ein Fahrer auf ein Bremspedal drückt, das einen Hauptbremszylinder betätigt. Darüber hinaus ist eine Pumpe in dem Kreis vorgesehen. Die Pumpe umfasst einen Elektromotor und mindestens einen Kolben, wobei sich der Kolben bei Zufuhr von Leistung zu dem Motor bewegt, und diese Bewegung des Kolbens beaufschlagt das Fluid in dem Kreis mit Druck. Die Pumpe gestattet einen rapiden Anstieg des Drucks unabhängig von einer Betätigung des Pedals durch den Fahrer, wodurch gestattet wird, dass die Bremsen vorab mit Druck beaufschlagt werden, wenn das Fahrzeug erfasst, dass eine Notbremsung erforderlich ist, oder womöglich die Bereitstellung des Drucks, der erforderlich ist, um zu gestatten, dass die Bremsen für einen ABS-Betrieb oder elektronische Stabilitätssteuerung unabhängig von dem Bremspedal betätigt werden.
-
Der Motor ist über eine Treiberschaltung mit einer Batterie des Fahrzeugs verbunden. Die Treiberschaltung umfasst eine Spannungs- und Stromregelschaltung, die eine PWM-Steuerung umfasst. Die PWM-Steuerung umfasst in der Regel eine Mikrosteuerung und führt der Steuerung PWM-Signale als Reaktion auf Eingangssignale, die ihr von verschiedenen Sensoren und anderen Komponenten, die über das Fahrzeug (nicht gezeigt) hinweg verteilt sind, zugeführt werden, als Funktion eines eingebauten Steueralgorithmus zu. Die PWM-Steuerung der Steuerung reguliert den Strom und die Spannung, der bzw. die dem Motor zu einem beliebigen Zeitpunkt zugeführt wird, und steuert somit den Betrieb der Pumpe.
-
Die Steuerung wird durch einen EMV-Filter von der Batterie isoliert, der verhindert, dass elektrische Störungen in der Batterieversorgungsleitung die Steuerung und den Motor erreichen. Die Störungen können den Motor beschädigen, wenn sie nicht herausgefiltert werden. Wie im Folgendem beschrieben wird, nutzen der Filter und die Steuerung der vorliegenden Ausführungsform gemeinsame Komponenten und sind somit zumindest teilweise integriert.
-
Die Treiberschaltung wird in 2 der Zeichnungen genauer gezeigt. Sie umfasst ein Schaltnetzteil und umfasst insbesondere eine Abwärts-Aufwärts-Schaltung, die einen Eingang, der mit der Batterieversorgung verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einer Seite des Motors verbunden ist, aufweist, wobei die Schaltung sowohl den Strom als auch die Spannung, der bzw. die an dem Ausgang zur Verfügung steht, reguliert und insbesondere ermöglicht, dass dem Motor bei Bedarf eine Spannung zugeführt wird, die über der Batterieversorgungsspannung liegt.
-
Der Aufwärtsteil der Schaltung umfasst eine Induktivität L1, die mit dem Eingangsknoten und einem Zwischenknoten in Reihe geschaltet ist, einen Schalter (Feldeffekt-Transistor Q1), der den Zwischenknoten mit einer Masse verbindet, einen zweiten Schalter (Feldeffekt-Transistor Q3), der mit dem Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten, der einen Eingang zu der Abwärtsschaltung bildet, in Reihe geschaltet ist, und einen Kondensator C2, der zwischen den zweiten Zwischenknoten und die Masse geschaltet ist.
-
Der Aufwärtsteil der Schaltung umfasst einen Schalter (Feldeffekt-Transistor Q4), der zwischen dem zweiten Zwischenknoten und dem Ausgangsknoten in Reihe geschaltet ist, einen Schalter (Feldeffekt-Transistor Q5), der zwischen dem Ausgangsknoten und der Masse in Reihe geschaltet ist, und den Kondensator C2 und die Induktivität L1. Somit teilen sich die Abwärts-Aufwärts-Schaltungen einen gemeinsamen Kondensator und eine Induktivität als Energiespeicher.
-
Jeder Schalter bei dieser Ausführungsform umfasst einen FET-Transistor, jedoch könnte es sich dabei auch um eine andere Transistorart handeln, und jeder Schalter kann durch Anlegen eines Steuersignals an die Basis des Transistors geöffnet oder geschlossen werden. Einige dieser Signale können PWM-Signale umfassen.
-
Die Induktivität L1 des Aufwärtsteils wird hier zur Bildung einer Hälfte eines LC-Filters verwendet, der die Batterie-EMV-Filterfunktionen bereitstellt. Der Kondensator C1 des Filters ist zwischen den Eingangsknoten und die Masse geschaltet. Dieses Teilen von Komponenten unterstützt die Reduzierung der Kosten der Schaltung und erhöht die Zuverlässigkeit.
-
Die PWM-Steuerung weist drei Ausgänge auf, wobei jeder zwischen einem Hochzustand und einem Niedrigzustand in einem Hochfrequenz-PWM-Modus moduliert wird und die Ansteuerung zu den Schaltern Q1, Q4 und Q5 der Abwärts-Aufwärts-Schaltung bereitstellt. Ein weiterer Ausgang kann von hoch auf niedrig umgestellt werden, wird jedoch nicht PWM-moduliert, und dies wird bei Schalter Q3 angewendet. Wenn ein Ausgang hoch ist, ist der Schalter geöffnet, und wenn er gering ist, ist der Schalter geschlossen.
-
Die PWM-Steuerung stellt im Gebrauch nach einem angeforderten Starten des Motors die erforderlichen Signale bereit, die verschiedene Betriebsmodi definieren: einen anfänglichen Sanftstartmodus, einen kurzen Stromregelmodus, einen kurzen Spannungsaufwärtsregelungsmodus und einen nachfolgenden spannungsgesteuerten (Abwärtsregelungs-)Modus. Jeder Modus wird der Reihe nach für einen vorbestimmten Zeitraum implementiert. Der Zweck der Reihenfolge der Modi besteht darin, den Druck von der Pumpe so schnell wie möglich auf einen erforderlichen Pegel zu bringen und gleichzeitig die durchschnittliche Stromaufnahme während der Zeit, die die Pumpe benötigt, um auf den erforderlichen Pegel zu kommen, zu beschränken. In 3 werden Auftragungen von Motorspannung, Motorstrom und Hydraulikfluiddruck als Funktion der Zeit für alle Modi gezeigt, wobei der Zeitpunkt t = 0 dem Zeitpunkt entspricht, zu dem eine Anforderung des Startens des Motors erfolgt. Der erste und der zweite Zeitraum dauern etwa 1 Sekunde oder weniger, zu deren Ende der Druck des Fluids den erforderlichen erhöhten Pegel erreicht hat.
-
Optionaler Sanftstartmodus (Modus 1)
-
Der Sanftstartmodus definiert zusammen mit dem folgenden Stromregelmodus einen ersten Zeitraum, in dem die Treiberschaltung den an den Motor angelegten Strom reguliert, während die Spannung auf einem Pegel gehalten wird, der bei oder unter der Versorgungspannung liegt. Der Sanftstartmodus wird in 4 genauer gezeigt. In diesem Modus wird die Treiberschaltung als ein Abwärtsregelungsmodusnetzteil betrieben, wobei nicht gestattet wird, dass die Spannung die Versorgungsspannung überschreitet, jedoch ist der Strom die gesteuerte Variable. Dies unterstützt die Verhinderung eines plötzlichen Einschaltstromstoßes, der ansonsten bei einem Aufwärtsregelungsmodus aufgrund der anfänglichen niedrigen Induktivität des Motors auftreten würde.
-
Stromgeregelter Aufwärtsregelungsmodus (Modus 2)
-
Nach dem anfänglichen Sanftstartmodus wird der dem Motor zugeführte Strom während des verbleibenden Teils des ersten Zeitraums auf einem konstanten Pegel gehalten, der gleich der gestatteten dauerhaften Stromaufnahme ist, die durch die Fahrzeugkonstrukteure definiert wird. Er dauert eine Zeitspanne, die zum Starten des Motors und Hochdrehen auf die Geschwindigkeit, bei der die Induktivität des Motors auf einen brauchbaren Pegel zur Spannungssteuerung fällt, ausreichend ist. Zunächst hat ein Motor, wenn er stationär ist, eine sehr hohe Induktivität. Sobald er sich dreht, wird eine Gegen-EMK erzeugt, die ein Fallen der Induktivität bewirkt. Wenn die Induktivität zu hoch ist und der Motor nicht stromgeregelt wird, kann er einen viel zu hohen Strom aufnehmen, der Schäden am Motor verursacht. Die Treiberschaltung wird in einem Aufwärtsregelungsmodus betrieben, wodurch gestattet wird, dass die Spannung die Versorgungsspannung überschreitet, um die Leistung, die der Motor für die konstante Spannung aufnehmen kann, zu maximieren.
-
Spannungsaufwärtsregelung (Modus 3)
-
Sobald es zum Drehen kommt und die Induktivität ausreichend gefallen ist, wird die Spannung anstatt des Stroms durch Halten der Spannung auf einem verstärkten Pegel über dem der Versorgungsspannung gesteuert. Der Motor nimmt somit eine höhere Leistung auf, als ohne die Aufwärtsregelung möglich wäre, und dennoch bleibt der durchschnittliche aufgenommene Strom in diesem Zeitraum relativ gering im Vergleich zu dem, der für dieselbe Leistung bei der Versorgungsspannung erforderlich wäre (wie beispielsweise mit einem größeren Motor erzielt werden könnte). Dieser Modus dauert für eine Zeitspanne an, die dafür ausreicht, dass der Druck den erforderlichen Pegel erreicht.
-
Nach einem festgelegten Zeitraum wird die Aufwärtsregelungsteuerung fortgesetzt, jedoch wird die Spannung über den Zeitraum hinweg allmählich reduziert (Modus 4).
-
Abwärtsregelungsmodus (Modus 5)
-
Nachdem der Motor die erforderliche Drehzahl erreicht hat und der Druck den erforderlichen Pegel erreicht hat, kehrt die Steuerung zu einem standardmäßigeren Abwärtsregelungsmodus zurück, bei dem die Spannung reguliert wird und die Batterieversorgungsspannung nicht überschreitet.
-
5 zeigt den Betrieb der Schalter während jedes der Modi. In dem Abwärtsregelungsmodus ist der Schalter Q1 aus und der Schalter Q3 ist an, während PWM-Signale an die Schalter Q4 und Q5 angelegt werden. In dem Aufwärtsregelungsmodus ist der Schalter Q4 durchgängig an und der Schalter Q5 ist durchgängig aus zusammen mit dem Schalter Q3. PWM wird lediglich auf den Schalter Q1 angewandt.
