DE19727944A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers.

Ein Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung von Verbrauchern sind aus der DE-OS 35 29 742 bekannt. Der Verbraucher wird getaktet angesteuert. Das Tastverhältnis wird abhängig vom Widerstand des Verbrauchers und einem gewünschten Stromsollwert vorgegeben. Der durch den Verbraucher fließende Strom wird erfaßt und mit dem Sollwert verglichen. Abhängig von diesem Vergleich verändert ein Regler das Tastverhältnis so, daß sich der Stromsollwert einstellt.

Diese Vorgehensweise ist bei getakteten Ansteuerungen problematisch, wenn widersprüchliche Anforderungen an das System gestellt werden. Die Ansteuerfrequenz sollte zur Vermeidung von Haftreibung möglichst niedrig sein. Bei einer niederen Ansteuerfrequenz verbleibt der Verbraucher in ständiger Bewegung und es tritt keine Haftreibung auf. Eine niedrigere Ansteuerfrequenz bedingt aber, daß der Strom mit einer entsprechenden Frequenz schwankt. Um einen geeigneten Istwert bereitstellen zu können, ist der Istwert mit einem Tiefpaßfilter zu filtern. Bei niederer Taktfrequenz ergibt sich dadurch eine große Totzeit aufgrund des Tiefpaßfilters. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Istwert nur sehr langsam auf geänderte Sollwerte reagiert. Es ergibt sich ein dynamisch langsamer Regler, der nur nach einer großen Verzögerungszeit auf Änderungen des Sollwerts reagiert.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers mit einer getakteten Ansteuerung mit niederer Taktfrequenz einen dynamisch schnellen Regler bereit zustellen, der sehr schnell auf Änderungen des Sollwerts reagiert.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann der Istwert für den Strom sehr schnell den Änderungen des Sollwerts nachgeführt werden. Die ist auch bei getakteten Ansteuerung mit einer kleinen Taktfrequenz möglich.

Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergibt sich ein schnelleres Führungsverhalten gegenüber einem PI-Regler mit Vorsteuerung. Dies gilt auch bei kleinen Taktfrequenzen und somit großer Totzeit der Regelstrecke. Desweiteren ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise das gleiche aperiodische Einschwingverhalten des Stromregelkreises unabhängig vom aktuellen Widerstand des Verbrauchers. Ferner werden keine Kompensationswiderstände zur Temperaturkompensation des Verbrauchers erforderlich. Dadurch können zusätzliche Verlustleistungen vermieden werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein grobes Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 verschieden über Zeit aufgetragene Signale und Fig. 3 eine detailliertere Darstellung der Steuerung des Verbrauchers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein grobes Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Verbraucher steht zum einen mit einer Versorgungsspannung Ubat und zum anderen über ein Strommeßmittel 110 und ein Schaltmittel 120 mit Masse in Verbindung.

An beiden Anschlüssen des Strommeßmittels 110 ist ein Differenzverstärker 130 angeschlossen, dessen Ausgangssignal über einen Tiefpaß 141 zu einem AD-Wandler 150 gelangt. Der Tiefpaß 141 besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem Widerstand 140, der zwischen dem AD-Wandler 150 und dem Ausgang des Differenzverstärkers 130 angeordnet ist. Der Widerstand 140 steht über ein Kondensator 145 mit Masse in Verbindung. Der Widerstand 140 und der Kondensator 145 bilden den Tiefpaß 141.

Das Ausgangssignal des AD-Wandlers 150 gelangt zu einer Steuerung 160, die wiederum das Schaltmittel 120 mit einem Ansteuersignal U beaufschlagt.

Bei dem Verbraucher 100 handelt es sich vorzugsweise um eine Spule eines Magnetventils. Insbesondere bei Proportionalmagnetventilen wird der Strom I, der durch den Verbraucher 100 fließt, auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt. Abhängig von dem durch den Verbraucher 100 fließenden Strom I stellt sich eine bestimmte Position des Proportionalmagnetventiles ein.

Solche Proportionalmagnetventile werden beispielsweise in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dort werden Sie vorzugsweise zur Druckregelung verwendet. So wird beispielsweise bei Common-Rail-Systemen der Druck in einem Speicher auf einen vorgebbaren Wert eingestellt. Hierzu wird ein Proportionalmagnetventil verwendet. Abhängig von dem durch den Verbraucher 100 fließenden Strom stellt sich ein bestimmter Kraftstofffluß durch das Ventil und damit eine bestimmte Druckänderung ein.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Sie kann bei allen Verbrauchern angewendet werden, bei denen der Strom auf einen bestimmten Wert eingestellt werden muß.

Das Schaltmittel 120 ist vorzugsweise als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor ausgebildet. Das Strommeßmittel 110 ist vorzugsweise als ohmscher Widerstand ausgebildet. Die Anordnung des Strommeßmittels 110 und des Schaltmittels 120 in der Fig. 1 ist nur beispielhaft gewählt. Es kann auch vorgesehen sein, daß das Strommeßmittel 110 gegen Masse oder gegen Versorgungsspannung Ubat geschaltet ist.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird anhand der in Fig. 2 aufgetragenen Signale beschrieben. Abhängig von dem gewünschten Strom, der durch den Verbraucher 100 fließen soll, bestimmt die Steuerung 160 ein Ansteuersignal U, mit dem das Schaltmittel 120 angesteuert wird. Dieses Signal ist in Teilfigur 2a dargestellt. Die Frequenz bzw. die Periodendauer T ist hierbei konstant und wird abhängig von Betriebskenngrößen vorgegeben. Die Periodendauer T ist so gewählt, daß im Magnetventil keine Haftreibung auftritt. Dies wird dadurch vermieden, daß sich die Ventilnadel ständig in Bewegung befindet. Entsprechend wird die Frequenz bzw. die Periodendauer T vorgegeben.

In der Regel handelt es sich bei dem Verbraucher um einen induktiven Verbraucher. Dies bedeutet, wird der Strom eingeschaltet, das heißt, die Spannung U nimmt einen hohen Wert an, so steigt der Strom I an. Im ausgeschalteten Zustand fällt der Strom I wieder ab.

Aufgrund der Induktivität des Verbrauchers stellt sich ein Strom ein, der in Fig. 2b dargestellt ist. Dieses Signal wird von dem Differenzverstärker 130 bereitgestellt. Zur direkten Weiterverarbeitung ist dieses Signal I nicht geeignet. So wird bei einer digitalen Auswertung in der Regel ein Momentanwert abgetastet. Je nach Abtastzeitpunkt ändert sich der Wert sehr stark. Um eine digitale Auswertung zu ermöglichen, wird dieses Signal mittels eines Tiefpaßfilters 141 gefiltert. Am Ausgang dieses Tiefpaßfilters steht dann das Signal IF an, das in Fig. 2c dargestellt ist.

Anstelle des dargestellten RC-Filters können auch andere geeignete Filter eingesetzt werden. Problematisch ist nun, daß aufgrund der Filterung sich eine große Totzeit bei der Istwerterfassung ergibt. Eine Änderung des Stromistwertes hat erst nach einer relativ langen Totzeit eine Änderung des Signals IF zur Folge. Diese Totzeit ist zum einen erwünscht, da kurzfristige Stromschwankungen, wie in Fig. 2b dargestellt, ausgeglichen werden. Bei einer Änderung des Sollwerts führt dies aber zu einer erheblichen Totzeit der Istwerterfassung.

Der Wert IF des gemittelten Stromwerts IF hängt im wesentlichen vom Widerstand R des Verbrauchers und dem Tastverhältnis TV der Ansteuerung ab. Das Tastverhältnis ist definiert durch das Verhältnis E/T zwischen der Zeit E, in der das Schaltmittel den Stromfluß freigibt, und der Periodendauer T.

Der gefilterte Stromwert IF gelangt über einen DA-Wandler zur Steuerung 160. Die Steuerung 160 bestimmt dann ausgehend von dem Signal IF das Ansteuersignal U.

Die Steuerung 160 ist in Fig. 3 detaillierter dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Tastverhältnisvorgabe 300 beaufschlagt das Schaltmittel 120 mit dem Ansteuersignal U.

Die Tastverhältnisvorgabe 300 verarbeitet das Ausgangssignal R eines Verknüpfungspunktes 310. Am ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 310 und am ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 320 liegt das Ausgangssignal einer R0-Vorgabe 330 an. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 310 steht das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 320 an. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 320 steht das Ausgangssignal K eines Begrenzers 340, der von einem Integrator 350 mit einem Signal beaufschlagt wird. Der Integrator 350 verarbeitet das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 370 an dessen ersten Eingang das Ausgangssignal des AD-Wandlers 150 anliegt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 370 liegt das Ausgangssignal ISF eines Sollwertfilters 380. Am Eingang des Sollwertfilters 380 liegt ein Ausgangssignal IS einer Sollwertvorgabe 360, die auch die R0-Vorgabe 330 mit dem Sollwert IS beaufschlagt.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Sollwertfilterung 380 auch weggelassen werden.

Die Regelstrecke ist durch eine gestrichelte Linie markiert. Der Verbraucher 100 und der Tiefpaßfilter 141 sind als PT1 Glieder dargestellt.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Ausgehend von dem gewünschten Stromsollwert IS und dem Widerstand R des Verbrauchers 100 bestimmt die Tastverhältnisvorgabe 300 das notwendige Tastverhältnis, mit dem das Schaltmittel 120 zu beaufschlagen ist. Der ohmsche Widerstand R(T) des Verbrauchers 100 ist abhängig von der Temperatur T. Dabei gilt die Beziehung für die Abhängigkeit des Widerstandes R von der Temperatur T die Beziehung:

R(T) = R(T0).(1 + a.(T-T0)) = R0.(1 + K)

Der Wert K beschreibt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes R des Verbrauchers. Der Wert R0 ist der Widerstand des Verbrauchers bei einer definierten Temperatur T0. Hierbei werden normalerweise Normalwerte von ca. 20 Grad angenommen, die im üblichen Betrieb auftreten.

Ausgehend von dem bei Normaltemperatur T0 auftretendem Widerstand R0 und dem Faktor K wird das Tastverhältnis U bestimmt. Bei der Normaltemperatur nimmt der Faktor K den Wert Null an. Bei entsprechender Ansteuerung des Schaltmittels 120 stellt sich der mittlere Strom IF ein.

Der so bestimmte Istwert II für den Strom wird im Verknüpfungspunkt 370 mit dem Sollwert IS verglichen. Ausgehend von diesem Wert bestimmt der Integrator 350 den Wert K. Dies erfolgt beispielsweise wie folgt. Ist der Istwert II größer als der Sollwert, so wird der Wert K um einen bestimmten Wert erhöht. Diese Erhöhung erfolgt so lange, bis der Istwert II gleich dem Sollwert IS ist. Ist der Istwert II kleiner als der Sollwert, so wird der Wert K um einen bestimmten Wert verkleinert. Diese Verringerung erfolgt so lange, bis der Istwert II gleich dem Sollwert IS ist. Als Anfangswert für den Integrator wird üblicherweise der Wert Null verwendet.

Anschließend wird im Begrenzer 340 der Wert K auf physikalisch plausible Werte begrenzt. Anschließend wird der Wert K im Verknüpfungspunkt 320 mit dem Wert R0 multiplikativ verknüpft. Das Ergebnis wird dann im Verknüpfungspunkt 310 zu dem Wert R0 hinzuaddiert. Die Verknüpfungspunkte 320 und 310 bilden die obige Gleichung nach.

Mit dem so korrigierten Wert R wird dann das Tastverhältnis berechnet. Der so ermittelte Wert K steht dann ständig zur Berechnung des Widerstandes R bzw. zur Berechnung des Ansteuersignals zur Verfügung.

Die Stromregelung besteht aus einer Vorsteuerung des Widerstandswerts des Verbrauchers mittels des Normalwiderstandes R0 und einer Adaption des temperaturabhängigen Korrekturfaktors K. Tritt eine Änderung des Sollwerts auf, so führt dies aufgrund der Vorsteuerung unmittelbar zu einer Änderung des Tastverhältnisses U, und damit zu einer Änderung des Istwertes II.

Änderungen des Widerstandes des Verbrauchers erfolgen in der Regel sehr langsam. Diese Änderungen werden durch die Adaption des Faktors K kompensiert. Die Information über die aktuelle Größe von K wird aus dem Integral der Regeldifferenz (II-IS) gebildet.

Über die Integrationszeitkonstante des Integrators 350 kann die Adaptionsgeschwindigkeit passend zur Zeitkonstante des RC-Filters 141 eingestellt werden.

Die Berechnung des Tastverhältnisses erfolgt in einem festen Zeitraster. So wird die Berechnung beispielsweise alle 10 ms durchgeführt. Die Istwerterfassung besitzt eine große Zeitkonstante.

Das Stellglied, das heißt, der Verbraucher 100 reagiert sehr schnell auf ein geändertes Ansteuersignal. Dies bedeutet, die Regelstrecke besitzt eine sehr kleine Zeitkonstante.

Aufgrund der sehr kleinen Ansteuerfrequenz, die vorzugsweise im Bereich von ca. 200 Hz liegt, ergibt sich eine große Zeitkonstante bei der Filterung des Istwertes. Der Istwert steht daher mit einer großen Totzeit zur Verfügung.

Eine Regelung eines solchen Systems mit einem dynamisch guten Stellglied einer Istwerterfassung mit hoher Totzeit und einem digitalen Regler mit großer Abtastzeit ist in der Regel sehr problematisch. Dies bedeutet, die Totzeit der Filterung bestimmt die Einregelzeit des gesamten Regelkreises.

Durch die besondere Struktur der Vorsteuerung, die das Tastverhältnisses abhängig von dem Vorsteuerwert R0 für den Widerstand und dem gewünschten Stromwert vorgibt, und der Adaption des Widerstandes mittels des Integrators kann mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise bei diesen gegebenen Bedingungen eine sehr schnelle und genaue Einstellung des Iststromes bei einer Veränderung des Sollstromes erzielt werden. Die schnelle Reaktion auf Änderungen des Sollwerts werden durch die Vorsteuerung des Widerstandswertes gewährleistet. Die Regelgenauigkeit wird durch den Integrator 350 gewährleistet, der den Korrekturfaktor K auf den erforderlichen Wert einstellt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrauchers, wobei der Verbraucher mit einem vorgebaren Tastverhältnis getaktet angesteuert wird, wobei das Tastverhältnis abhängig von einem Widerstandswert des Verbrauchers und einem Stromsollwert vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Verbrauchers adaptiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption des Widerstandswerts des Verbrauchers ausgehend von einer Regelabweichung zwischen einem Stromistwert und dem Stromsollwert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert ausgehend von einem Vorsteuerwert und einem Korrekturfaktor vorgebbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Stromistwert und dem Stromsollwert vorgebbar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor von einem Integrator vorgebbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung des Widerstandwerts des Verbrauchers der Korrekturfaktor und der Vorsteuerwert multipliziert und zum Vorsteuerwert hinzuaddiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromistwert mit einem Tiefpaßfilter gefiltert wird.

8. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers, wobei der Verbraucher mit einem vorgebaren Tastverhältnis getaktet angesteuert wird, wobei eine Steuerung das Tastverhältnis abhängig vom Widerstandswert des Verbrauchers und einem Stromsollwert vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Widerstandswert des Verbrauchers adaptieren.