DE19646052A1

DE19646052A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE19646052A1
Application number: DE19646052A
Authority: DE
Inventors: Werner Fischer; Birte Luebbert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1998-05-14
Also published as: US5955792A; GB2319415B; JPH10178737A; GB2319415A; GB9723546D0

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen der unab hängigen Ansprüche

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind bei spielsweise aus der DE-OS 44 14 609 bekannt. Dort wird eine Ein richtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers, insbesondere eines elektromagnetischen Verbrauchers, beschrieben. Der durch den Verbraucher fließende Strom wird gemessen und auf einen Sollwert eingeregelt. Abhängig von dem durch den Verbraucher fließenden Strom wird ein in Reihe zum Verbraucher liegendes Steuermittel angesteuert. Ferner ist parallel zum Steuermittel ein Schaltmit tel angeordnet.

Aus der DE-OS 28 40 192 bekannt, den durch ein Magnetventil fließenden Strom vor der eigentlichen Ansteuerung auf einen sol chen Wert einzustellen, der noch nicht ausreicht das Magnetven til zu betätigen.

Als Schaltmittel werden üblicherweise Leistungstransistoren ver wendet. Wird der Strom mittels einer Analogregelung eingestellt, so entsteht im Leistungstransistor eine sehr hohe Verlustlei stung. Die Leistungsaufnahme von Transistoren ist im wesentli chen von der maximal zulässigen Temperatur und von der Wärmean bindung an die Umgebung abhängig.

Mit der bekannten Einrichtung können lediglich zwei Stromniveaus mit geringer Verlustleistung realisiert werden. Ferner ist ein schneller Einschaltvorgang nicht ohne weiteres realisierbar.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers der eingangs genannten Art eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Verlustleistung des Lei stungstransistors bei unterschiedlichen Stromniveaus vermindert werden kann.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen ge kennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können Leistungstransisto ren mit wesentlich geringerer maximaler Leistungsaufnahme und damit billigere Transistoren verwendet werden.

Zeichnung

Die Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichsten Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Fig. 2 zeigt verschiedene in der Einrichtung auftretende Signale über der Zeit aufgetragen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verbraucher um die Spule eines Magnetventils, das die Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine beeinflußt. Durch Ansteuern dieses Ma gnetventils kann der Einspritzbeginn, das Einspritzende und da mit auch die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert werden. Hierzu ist es erforderlich, daß das Magnetventil zu einem defi nierten Zeitpunkt öffnet und/oder schließt. Desweiteren ist es insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen vorteil haft, wenn das Magnetventil nach Ausgabe des Ansteuersignals möglichst schnell seine neue Endlage erreicht.

In Fig. 1 sind die wesentlichsten Elemente der erfindungsgemä ßen Einrichtung schematisch dargestellt. Mit 100 ist der elek tromagnetische Verbraucher bezeichnet. Dieser ist mit seinem er sten Anschluß mit Batteriespannung Ubat verbunden. Mit seinen zweiten Anschluß steht er mit einem Steuermittel 110 in Verbin dung.

Bei dem Steuermittel 110 handelt es sich vorzugsweise um einen Transistor, insbesondere um einen Feldeffekttransistor. In die sem Fall steht der zweite Anschluß des Verbrauchers mit dem Drain-Anschluß des Feldeffekttransistors 110 in Verbindung. Der Source-Anschluß des Transistors 110 steht mit einem Strommeßmit tel 120 zur Erfassung des durch den Verbraucher fließenden Stroms in Verbindung. Der zweite Anschluß des Strommeßmittels 120 steht mit Masse in Verbindung.

Die Anordnung dieser drei Elemente ist nur beispielhaft darge stellt. So können diese Elemente auch in anderer Reihenfolge an geordnet sein. So können beispielsweise Masse und Batteriean schlüsse vertauscht sein.

Der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschluß des Verbrau chers 100 und dem Steuermittel 110 steht mit dem ersten Anschluß eines ersten Widerstands 150 in Verbindung. Der zweite Anschluß des Widerstands 150 ist mit einem ersten Schaltmittel 140 ver bunden. Als Schaltmittel 140 wird vorzugsweise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor eingesetzt. In diesem Fall steht der zweite Anschluß des Widerstands 150 mit dem Drain-An schluß des Transistors 140 in Verbindung. Der Source-Anschluß des Transistors 140 steht in Kontakt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Steuermittel 110 und dem Strommeßmittel 120. Das Schaltmittel 140 ist im wesentlichen parallel zum Steuermittel 110 geschaltet.

Der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschluß des Verbrau chers 100 und dem Steuermittel 110 steht mit ferner mit dem er sten Anschluß eines zweiten Widerstands 155 in Verbindung. Der zweite Anschluß des Widerstands 155 ist mit einem zweiten Schaltmittel 145 verbunden. Als Schaltmittel 145 wird vorzugs weise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor ein gesetzt. In diesem Fall steht der zweite Anschluß des Wider stands 155 mit dem Drain-Anschluß des Transistors 145 in Verbin dung. Der Source-Anschluß des Transistors 145 steht in Kontakt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Steuermittel 110 und dem Strommeßmittel 120. Das Schaltmittel 145 ist im wesentlichen parallel zum Steuermittel 110 geschaltet.

Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 140 und 145 sowie der Gate-An schluß des Transistors 110 werden von einer Steuerung 131 mit Ansteuersignalen beaufschlagt.

Das Strommeßmittel 120 ist vorzugsweise als Widerstand reali siert. Die beiden Anschlüsse des Widerstands 120 werden von der Steuereinheit 130 abgetastet. Die beiden Spannungswerte werden einer Stromerfassung 132 zugeführt, die ausgehend von dem Span nungsabfall am Widerstand 120 einen Stromistwert Iist, bereit stellen. Dieser Istwert Iist wird einem Regler 133 als Istwert zugeführt. Der zweite Anschluß des Reglers 133 steht mit der Steuerung 131 in Verbindung, die den zweiten Eingang mit einem Sollwert Isoll beaufschlagt. Der Ausgang des Reglers 133 beauf schlagt das Gate des Transistors 110 mit einem entsprechenden Signal.

Zur Bildung der Ansteuersignale wertet die Steuereinrichtung 130 verschiedene Ausgangssignale von Sensoren 135 aus.

Die Funktionsweise dieser Einrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. In der Teilfigur 2a sind die Ansteuer signale für das Steuermittel 110 mit einer punktierten Linie, das Ansteuersignal für das erste Schaltmittel 140 mit einer ge strichelten Linie und für das zweite Schaltmittel 145 mit einer strichpunktierten Linie aufgetragen. In der Teilfigur 2b ist Strom I2 der durch das Steuermittel 110 fließt mit einer punk tierten Linie, der Strom I1, der durch das erste Schaltmittel 140 fließt, als gestrichelte Linie und der Strom I3, der durch das zweite Schaltmittel 145 fließt, mit einer strichpunktierten Linie und der Gesamtstrom I, der durch das Magnetventil 100 fließt, als durchgezogene Linie aufgetragen.

In einer ersten Phase vor der Ansteuerung des Magnetventils wird das Schaltmittel 140 zum Zeitpunkt t1 derart angesteuert, daß es den Stromfluß freigibt. Gleichzeitig wird ein erster Sollwert SV von der Steuerung 131 vorgegeben. Der Widerstand 150 ist dabei so bemessen, daß der durch den Zweig, bestehend aus dem Wider stand 150 und dem Schaltmittel 140, fließende Strom, zur Vorma gnetisierung ausreicht. Vom Regler 133 wird das Steuermittel derart angesteuert, daß der Strom, der durch den Verbraucher 100 fließt dem Sollwert SV entspricht. Dieser Sollwert SV wird so vorgeben, daß der Verbraucher vormagnetisiert wird, seine Stel lung aber noch nicht ändert. Erfolgt zum Zeitpunkt t2 der An steuerimpuls erreicht der Verbraucher aufgrund der Vormagneti sierung wesentlich schneller seine neue Lage.

Zum Zeitpunkt t1 wird das Ansteuersignal A1, das mit einer ge strichelten Linie eingezeichnet ist, für das erste Schaltmittel auf seinen hohen Pegel gesetzt. Dies hat zur Folge daß der Strom I1, der durch das erste Schaltmittel 140 fließt nahezu auf den Wert SV ansteigt. Das Ansteuersignal A2, das mit einer punktier ten Linie eingezeichnet ist, wird vom Regler 133 so vorgegeben, daß der Gesamtstrom I, der durch den Verbraucher 100 fließt den Wert SV annimmt. In dieser Phase wird der wesentliche Anteil des Gesamtstroms vom Strom I1, der durch das erste Schaltmittel 140 fließt bereitgestellt.

In der zweiten Phase, ab dem Ansteuerbeginn zum Zeitpunkt t2, wird das Ansteuersignal A1 zurückgenommen und das Ansteuersignal A2 auf seinen maximalen Wert gesetzt. Dies hat zur Folge, daß der Strom I2, der durch das Stromsteuermittel 110 fließt stark ansteigt. Der Strom I, der durch das Magnetventil fließt, steigt bis zu dem Sollwert für den Anzugsstrom SA an. Der Strom I1 da gegen fällt auf Null ab. Praktisch der gesamte Strom I, der durch den Verbraucher fließt, wird vom Strom I2, der durch das Steuermittel 110 fließt bereitgestellt. Der Sollwert SA ist so gewählt, daß das Ventil seine Stellung schnell ändert.

In der dritten Phase ab dem Zeitpunkt t4 wird das Ansteuersignal A3, das mit einer strichpunktierten Linie eingezeichnet ist, für das zweite Schaltmittel 145 auf seinen hohen Pegel gesetzt. Dies hat zur Folge, daß der Strom I3, der durch das zweite Schaltmit tel 145 fließt nahezu auf den Wert SH ansteigt. Das Ansteuersi gnal A2, das mit einer punktierten Y-Linie eingezeichnet ist, wird vom Regler 133 so vorgegeben, daß der Gesamtstrom I, der durch den Verbraucher 100 fließt den Wert SH annimmt. Der Sollwert SH wird auch als Haltestrom bezeichnet, er ist so gewählt, daß das Ventil in seiner Stellung verbleibt.

In dieser Phase wird der wesentliche Anteil des Gesamtstroms vom Strom, der durch das zweite Schaltmittel 145 fließt bereitge stellt.

Zum Zeitpunkt t5 endet die Ansteuerung des Magnetventils. Dies bedeutet zum Beispiel, das Schaltmittel 145 wird geöffnet und das Steuermittel 110 wird so angesteuert, daß der durch das Schaltmittel 110 fließende Strom auf Null zurück geht. Der Strom durch das Steuermittel 145 fällt ebenfalls ab.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in der zweiten Phase das Ansteuersignal A3, das mit einer strichpunktierten Linie eingezeichnet ist, für das zweite Schaltmittel 145 auf seinen hohen Pegel gesetzt. Dies hat zur Folge, daß der Strom I3, der durch das zweite Schaltmittel fließt nahezu auf den Wert SH ansteigt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ab dem Zeitpunkt t3 auch das Ansteuersignal A1, für das erste Schaltmittel 140 auf seinen hohen Pegel gesetzt wird. Dies hat zur Folge, daß der durch das erste Schaltmittel flie ßende Strom I1 nahezu auf den Wert SV ansteigt.

Diese Ansteuerung der Schaltmittel 140 und 145 in der zweiten Phase ist nur beispielhaft. Es ist besonders vorteilhaft, wenn in der zweiten Phase zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 die Schaltmittel 140 und 145 wahlweise oder beide gemeinsam ange steuert werden, so daß der Anzugstrom im wesentlichen von den Strömen I1 und 13, die durch die Schaltmittel 140 und 145 flie ßen, aufgebracht wird. Bei dieser Ausführungsform muß nur noch ein kleiner Anteil des Gesamtstroms von dem Steuermittel 110 aufgebracht werden.

Der Widerstand 150 ist so dimensioniert, daß ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 der größte Stromanteil durch das Schaltmit tel 140 und den Widerstand 150 fließt. Lediglich ein kleiner Stromanteil fließt über das Steuermittel 110. Dies wird dadurch erreicht, daß im Zeitraum zwischen t1 und t2 der Zweig bestehend aus dem Widerstandsmittel 150 und dem Schaltmittel 140 einen kleineren Widerstand aufweist als das Steuermittel 110.

Dies bedeutet, daß der Zweig bestehend aus dem Widerstandsmittel 150 und dem Schaltmittel 140 auch den größten Teil der Verlust leistung aufnimmt.

Der Widerstand 155 ist so dimensioniert, daß ab dem Zeitpunkt t4 der größte Stromanteil durch das Schaltmittel 145 und den Wider stand 155 fließt. Lediglich ein kleiner Stromanteil fließt über das Steuermittel 110. Dies wird dadurch erreicht, daß im Zeit raum zwischen t4 und t5 der Zweig bestehend aus dem Widerstands mittel 155 und dem Schaltmittel 145 einen kleineren Widerstand aufweist als das Steuermittel 110.

Dies bedeutet, daß der Zweig bestehend aus dem Widerstandsmittel 155 und dem Schaltmittel 145 auch den größten Teil der Verlust leistung aufnimmt.

Die Schaltmittel 140 und 145 werden jeweils voll durchgeschaltet und arbeiten als Schalter. Durch die Schaltmittel 140 und 145 fließt jeweils der größte Teil des Stroms. Der jeweilige Zweig bestehend aus Widerstand 150 bzw. 155 und dem Schaltmittel 140 bzw. 145 nimmt auch den größten Teil der Verlustleistung auf. Das Steuermittel 110 arbeitet als Analogstromregler. Das Steuer mittel 110 nimmt den Differenzstrom zwischen dem Sollwert und dem Strom, der durch das jeweilige Schaltmittel 140 bzw. 145 fließt, auf.

Der wesentliche Teil der Verlustenergie wird in den Widerständen 150 oder 155 umgesetzt und nicht in einem Transistor. Widerstän de können im Vergleich zu Transistoren bei gleichen Kosten für wesentlich höhere Temperaturen ausgelegt werden. Mit geringem Aufwand kann eine gute Wärmeanbindung zur Umgebung, bzw. zu Kühlkörpern erzielt werden. Die Ansteuerung der Endstufen ist einfach im Vergleich zu dem erforderlichen Schaltungsaufwand bei der Aufteilung der Verlustleistung auf mehrere Leistungstransi storen.

Die Leistungswiderstände 150 und 155 brauchen keine enge Tole ranz aufweisen, da das Steuermittel 110 eine Stromregelung durchführt. Desweiteren können die Widerstände 150 und 155 ex tern vom Steuergerät, beispielsweise in der Nähe des Verbrau chers 100 angebracht werden.

Claims

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers (100), insbeson dere eines elektromagnetischen Verbrauchers, mit Mitteln (120) zur Erfassung des durch den Verbraucher fließenden Stroms, mit einem zum Verbraucher (100) in Reihe geschalteten Steuermittel (110), das abhängig von dem durch den Verbraucher fließenden Strom ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Phasen der Ansteuerung unterschieden werden, wobei in einer ersten Phase zusätzlich zum Steuermittel (110) ein erstes Schaltmittel (140), das parallel zum Steuermittel (110) angeord net ist, angesteuert wird und daß in einer dritten Phase zusätz lich zum Steuermittel (110) ein zweites Schaltmittel (145), das parallel zum Steuermittel (110) angeordnet ist, angesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (110) abhängig von dem Vergleich zwischen dem durch den Verbraucher (100) fließenden Strom und einem Sollstrom an steuerbar ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in der ersten Phase auf einen er sten Sollwert (SV), in einer zweiten Phase auf einen zweiten Sollwert (SA) und in der dritten Phase auf einen dritten Soll wert (SH) regelbar ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Phase vor der Ansteuerung des Verbrauchers (100) der erste Sollwert (SV) so gewählt wird, daß der Verbraucher bestromt wird, seine Stellung jedoch noch nicht ändert, wobei der wesentliche Stromanteil durch das erste Schaltmittel (140) fließt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Phase zu Beginn der Ansteue rung des Verbrauchers der zweite Sollwert (SA) so gewählt wird, daß der Verbraucher (100) seine Stellung ändert, wobei der we sentliche Stromanteil durch das Steuermittel (110) fließt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Phase der dritte Sollwert (SH) so gewählt wird, daß der Verbraucher (100) seine Stellung beibehält, wobei der wesentliche Stromanteil durch das zweite Schaltmittel (145) fließt.

7. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers (100) insbe sondere eines elektromagnetischen Verbrauchers, mit Mitteln (120) zur Erfassung des durch den Verbraucher fließenden Stroms, mit einem zum Verbraucher (100) in Reihe geschalteten Steuermit tel (110), das abhängig von dem durch den Verbraucher fließenden Strom ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erstes und ein zweites Schaltmittel (140, 145) vorgesehen sind, die parallel zum Steuermittel (110) angeordnet sind, und daß Mittel vorgesehen sind, die in einer ersten Phase zusätzlich zum Steuermittel (110) das erste Schaltmittel (140), und in ei ner dritten Phase zusätzlich zum Steuermittel (110) das zweite Schaltmittel (145) ansteuern.