-
Systeme
mit Proportionalventilen (Magnetventilen) werden in vielen Anwendungsgebieten
eingesetzt, bsp. im Kraftfahrzeugbereich in Steuergeräten oder
Endstufen zur Realisierung bestimmter Betriebsfunktionen. Diese
Proportionalventile bestehen in der Regel aus einem Elektromagneten
(einer Spule) und einem beweglichen Anker, wobei die mit dem Elektromagneten
erzeugte und den Anker bewegende magnetische Feldstärke proportional
zum Strom durch den Elektromagneten (die Spule) ist. Oftmals ist
es erforderlich, dem Proportionalventil einen bestimmten magnetischen
Fluß und
damit eine bestimmte magnetische Feldstärke aufzuprägen; hierzu muß durch
das Proportionalventil ein Strom mit einer bestimmten vorgegebenen
Stromstärke
fließen.
Zur Realisierung variabler Ströme
und damit variabler magnetischer Feldstärken wird das Proportionalventil getaktet
mittels Ansteuerpulsen angesteuert (bsp. mittels Pulsweitenmodulation
PWM), indem bei einer konstanten Ansteuerfrequenz (konstante Periodendauer
einer Ansteuerperiode) ein bestimmtes Tastverhältnis (Verhältnis von Pulsdauer zur Pulspause bzw.
von Pulsdauer zur Periodendauer der Ansteuerperiode) vorgegeben
wird und somit durch Variation der Pulsdauer der Stromfluß durch
das Proportionalventil eingestellt wird.
-
Einen
möglichst
störungsfreien
Betrieb von elektromagnetischen Stellgliedern beschreibt die
DE 42 31 799 A1 .
Darin wird ein Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen
Verstärker
angesteuerten Magnetventils aufgezeigt, wobei die Ansteuerfrequenz
unregelmäßig gewählt wird,
um zu verhindern, daß sich
im System Stellglied und Regelgröße störende Schwingungen
mit hohen Amplituden aufbauen.
-
DE 41 09 233 A1 betrifft
eine digitale Ansteuerelektronik für elektrische Stellglieder,
wobei das PWM-Ansteuersignal über
ein UND-Glied mit einem zweiten PWM-Signal anderer PWM-Frequenz überlagert
wird. Dadurch wird für
unterschiedliche Stellglieder mit unterschiedlichen Impedanzen eine
hohe Auflösung
der jeweiligen elektrischen Stellwerte erreicht.
-
DE 37 29 183 A1 zeigt
eine Schaltung zum Betrieb eines magnetisch betätigten Ventils mit konstanter
Ansteuerfrequenz und temperaturabhängiger Impulsbreite. Dadurch
wird auch bei extremen Temperaturschwankungen das gewünschte Regelverhalten
gewährleistet.
-
Aus
der
DE 38 05 031 A1 ist
eine Schaltungsanordnung zur getakteten Versorgung eines elektromagnetischen
Verbrauchers bekannt, wobei die Taktfrequenz des Stromreglers nachregelbar
ist. Dadurch können
die prinzipiellen Vorteile eines Stromreglers erreicht werden, wie
zum Beispiel die Ausregelung der Gegen-EMK des elektromagnetischen
Verbrauchers.
-
Die
Systeme können
außer
diesen elektromagnetischen Stellgliedern, wie Proportionalventilen, Komponenten
(Verbraucher) zur Steuerung weiterer Funktionseinheiten aufweisen,
bsp. als Ventile ausgebildete Aktoren. In vielen Anwendungsfällen werden
auch diese Verbraucher des Systems mit Ansteuerpulsen angesteuert,
wobei hierbei die Ansteuerfrequenz variiert wird (Variation der
Wiederholfrequenz der Ansteuerpulse bzw. der Periodendauer der Ansteuerpulse),
während
die Pulsdauer der Ansteuerpulse konstant gehalten wird.
-
Proportionalventil
und Verbraucher des Systems werden in der Regel gleichzeitig mittels
Ansteuerpulsen angesteuert. Falls das Proportionalventil und die
Verbrau cher des Systems über
eine gemeinsame Verbindungsleitung mit der Versorgungsspannung (Betriebsspannung)
des Systems versorgt werden, können
bei einer Variation der variablen Ansteuerfrequenz bei verschiedenen
Frequenzen bzw. in verschiedenen Frequenzbereichen über die
gemeinsame Verbindungsleitung Resonanzeffekte (Schwebungen) entstehen,
die sich aufgrund von Leitungswiderständen bzw. Innenwiderständen von
Bauteilen des Systems negativ auf den Stromfluß durch das Proportionalventil
und damit störend
auf die Systemeigenschaften auswirken können bzw. zu Instabilitäten des
Systems führen
können.
Als Abhilfe kann eine elektrische Entkopplung der Stromkreise von Proportionalventil
und Verbraucher mittels separater Verbindungsleitungen zur Versorgungsspannungsquelle
des Systems hin vorgenommen werden, was jedoch mit Aufwand und Kosten
verbunden ist und/oder wegen des hiermit verbundenen Platzbedarfs
oftmals nicht möglich
ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
eines Systems gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem ein störungsfreier und stabiler Betrieb
des Systems auf einfache und kostengünstige Weise realisiert wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.
-
Beim
vorgestellten Verfahren wird das Proportionalventil mit zwei konstanten
Ansteuerfrequenzen umschaltbar angesteuert; die jeweilige Ansteuerfrequenz
des Proportionalventils wird in Abhängigkeit des Verhältnisses
der variablen Betriebsfrequenz der Verbraucher zur konstanten (gewünschten)
Betriebsfrequenz des Proportionalventils vorgegeben. Vorzugsweise
besitzt die erste konstante Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
einen höheren
Frequenzwert als die konstante Betriebsfrequenz des Proportionalventils
und die zweiten konstante Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
einen niedrigeren Frequenzwert als die konstante Betriebsfrequenz
des Proportionalventils. Für
die Betriebsfrequenz und für
beide Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils ergeben sich frequenzabhängige Resonanzstellen bezüglich der
variablen Betriebsfrequenz des mindestens einen Verbrauchers, falls
das Teilerverhältnis
zwischen der konstanten (gewünschten) Betriebsfrequenz
des Proportionalventils und der variablen Betriebsfrequenz der Verbraucher
bzw. zwischen den beiden Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils
und der variablen Betriebsfrequenz der Verbraucher einen ganzzahligen
Wert annimmt. Für bestimmte
aufeinanderfolgende Resonanzstellen (d.h. für bestimmte aufeinanderfolgende
Ordnungen der Resonanz) wird für
die beiden Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils ein Resonanzbereich (Schwebungsbereich)
mit einem bestimmten Frequenzband festgelegt; bei einer Variation
der Ansteuerfrequenz des mindestens einen Verbrauchers wird beim
Erreichen eines Resonanzbereichs der momentan gewählten Ansteuerfrequenz
des Proportionalventils die Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
auf die jeweils andere Ansteuerfrequenz umgeschaltet, d.h.: falls
als Ansteuerfrequenz des Proportionalventils die erste Ansteuerfrequenz
vorgegeben wird und die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Verbrauchers
einen Resonanzbereich der ersten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
erreicht, wird von der ersten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
auf die zweite Ansteuerfrequenz des Proportionalventils umgeschaltet,
falls als Ansteuerfrequenz des Proportionalventils die zweite Ansteuerfrequenz vorgegeben
wird und die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Verbrauchers
einen Resonanzbereich der zweiten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
erreicht, wird von der zweiten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
auf die erste Ansteuerfrequenz des Proportionalventils umgeschaltet.
-
Die
Frequenzdifferenzen zwischen der ersten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils
und der (gewünschten)
Betriebsfrequenz des Proportionalventils sowie zwischen der zweiten
Ansteuerfrequenz des Proportionalventils und der (gewünschten)
Betriebsfrequenz des Proportionalventils und die Frequenzbänder der
Resonanzbereiche (die Breiten der Frequenzbereiche) für die beiden
Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils werden so gewählt, daß sich einerseits
die beiden einer bestimmten Resonanzstelle zugeordneten Resonanzbereiche
der beiden Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils für alle in
Betracht gezogenen Resonanzstellen (insbesondere für alle Einflüsse auf
die Systemeigenschaften bzw. das Systemverhalten zeitigenden Ordnungen
der Resonanz) nicht überschneiden
und daß andererseits
die beiden Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils nicht zu stark
von der gewünschten Betriebsfrequenz
des Proportionalventils differieren, so daß die Systemeigenschaften während der Ansteuerung
des Proportionalventils mit den beiden Ansteuerfrequenzen nicht
beeinträchtigt
werden. Vorzugsweise werden die beiden Frequenzdifferenzen zwischen
der ersten Ansteuerfrequenz des Proportionalventils und der (gewünschten)
Betriebsfrequenz des Proportionalventils sowie zwischen der zweiten
Ansteuerfrequenz des Proportionalventils und der (gewünschten)
Betriebsfrequenz des Proportionalventils gleich groß gewählt. Für die Resonanzstelle
einer bestimmten Ordnung werden die beiden Frequenzbänder der
beiden Resonanzbereiche (d.h. die Breite der „verbotenen" Frequenzbereiche
für die beiden
Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils annähernd gleich groß gewählt; vorzugsweise
wird für
die Resonanzstelle einer bestimmten Ordnung das erste Frequenzband
des Resonanzbereichs für die
erste Ansteuerfrequenz des Proportionalventils gleich groß wie das
zweite Frequenzband des Resonanzbereichs für die zweite Ansteuerfrequenz
des Proportionalventils gewählt.
Für die
Resonanzstellen verschiedener Ordnung werden die Frequenzbänder für die Resonanzbereiche
vorzugsweise unterschiedlich gewählt,
d.h. die Frequenzbänder
der Resonanzbereiche (die Breite der „verbotenen" Frequenzbereiche)
für die
erste Ansteuerfrequenz des Proportionalventils differieren von Resonanzstelle
zu Resonanzstelle (von Ordnung zu Ordnung der Resonanz) und die
Frequenzbänder
der Resonanzbereiche (die Breite der „verbotenen" Frequenzbereiche)
für die zweite
Ansteuerfrequenz des Proportionalventils differieren von Resonanzstelle
zu Resonanzstelle (von Ordnung zu Ordnung der Resonanz).
-
Die
durch Ansteuerpulse realisierte Ansteuerung des Proportionalventils
kann für
beide Ansteuerfrequenzen des Proportionalventils mittels Pulsweitenmodulation
mit einer variablen Pulsdauer und einer konstanten Ansteuerperiode
(und damit konstanten Ansteuerfrequenz) erfolgen, die durch Ansteuerpulse
realisierte Ansteuerung des mindestens einen Verbrauchers mittels
Impulsansteuerung mit einer konstanten Pulsdauer und einer variablen
Ansteuerperiode (variable Ansteuerfrequenz).
-
Aufgrund
der beschriebenen getakteten Ansteuerung des Proportionalventils
mittels zweier konstanter umschaltbarer Ansteuerfrequenzen kann
vorteilhafterweise ein störungsfreier
und rückwirkungsfreier
Betrieb des Systems ohne aufwendige und kostspielige elektrische
Entkopplung von Proportionalventil und Verbrauchern realisiert werden.
-
Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang
mit der Zeichnung beschrieben werden.
-
In
der 1 ist ein Prinzipschaltbild
des Systems mit einem Proportionalventil und einem Verbraucher,
in der 2 ein Zeitdiagramm
zur Erläuterung
der Funktionsweise und des zeitlichen Ablaufs des Verfahrens dargestellt.
-
Gemäß der 1 ist beispielsweise ein
Einspritzsystem für
Kraftfahrzeuge mit einem Magnetventil als Druckregelventil 1 zur
Druckregelung der Kraftstoffversorgung des Kraftfahrzeugs und einem Einspritzventil 2 zur
Injektion von Kraftstoff in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine
dargestellt, wobei Druckregelventil 1 und Einspritzventil 2 über eine
gemeinsame Verbindungsleitung 3 mit der als Versorgungsspannungsquelle
fungierenden Batterie 4 des Kraftfahrzeugs verbunden sind
(Batteriespannung als Versorgungsspannung UB bsp.
12 V). Druckregelventil 1 und Einspritzventil 2 werden
getaktet mittels Impulsansteuerung durch Rechteckpulse angesteuert:
für das
mittels Pulsweitenmodulation PWM angesteuerte Druckregelventil 1 (Frequenz
f1) wird eine konstante Betriebsfrequenz f1B von bsp. 1 kHz und
eine variable Pulsdauer und damit ein variables Tastverhältnis (als
Verhältnis
von Pulsdauer zur Pulspause bzw. von Pulsdauer zur Periodendauer
der Ansteuerperiode) vorgegeben und über eine Variation des Tastverhältnisses
ein variabler Strom I1 durch das Druckregelventil 1 eingestellt
(bsp. im Bereich von 0.5 A bis 3.0 A); für das mittels Impulsansteuerung
IAN angesteuerte Einspritzventil 2 (Frequenz f2) wird in
Abhängigkeit
der Drehzahl n der Brennkraftmaschine eine variable Betriebsfrequenz f2B
und eine vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängige Pulsdauer
vorgegeben und eine Bestromung des Einspritzventils 2 mit
konstanten Ansteuerströmen
I2 von ca. 20 A synchron zur Drehzahl n der Brennkraftmaschine vorgegeben
(bsp. erfolgt eine Bestromung des Einspritzventils 2 bei
einer Variation des Kurbelwellendrehwinkels der Brennkraftmaschine
von jeweils 90°).
-
Problematisch
bei der gleichzeitigen getakteten Ansteuerung von Druckregelventil 1 und
Einspritzventil 2 ist das Zusammentreffen einer Ansteuerphase
(Einschaltphase) des Druckregelventils 1 mit einer Ansteuerphase
(Einschaltphase) des Einspritzventils 2 und die hierdurch
entstehenden Resonanzeffekte (Schwebungen): aufgrund des hohen Strombedarfs
des Einspritzventils 2 während der Ansteuerphase sinkt
die Batteriespannung UB des Kraftfahrzeugs
deutlich ab (v.a. infolge von Innen- und Leitungswiderständen); hierdurch
steht dem Druckregelventil 1 für dessen Ansteuerphase nur
eine gegenüber
der Batteriespannung UB verringerte Spannung zur
Verfügung,
wodurch der resultierende Strom I1 durch das Druckregelventil 1 unter
den gewünschten Vorgabewert
sinkt, was negative Auswirkungen auf den Kraftstoffdruck zur Folge
hat (insbesondere schwankt der Kraftstoffdruck mit der Frequenzdifferenz
der Ansteuerphasen von Druckregelventil 1 und Einspritzventil 2).
Diese Resonanzeffekte ergeben sich bei bestimmten Drehzahlen n der
Brennkraftmaschine aufgrund der Synchronie der Betriebsfrequenz
f1B des Druckregelventils 1 und der variablen, an die Drehzahl
n der Brennkraftmaschine gekoppelten Ansteuerfrequenz f2 (= Betriebsfrequenz
f2B) des Einspritzventils 2: Resonanzstellen fR verschiedener
Ordnung i treten auf, wenn die Betriebsfrequenz f1 des Druckregelventils 1 ein
ganzzahliges Vielfaches i der Ansteuerfrequenz f2 (Betriebsfrequenz
f2B) des Einspritzventils 2 ist: f1B = i·f2 bzw. f1B
= i·f2,
wobei i die Ordnung der Resonanz bestimmt. Bsp. liegen die Resonanzstellen
fR bei den obigen Zahlenwerten von f1 = 1 kHz bei 250 Hz (4. Ordnung
der Resonanz), 200 Hz (5. Ordnung der Resonanz), 167 Hz (6. Ordnung
der Resonanz), 143 Hz (7. Ordnung der Resonanz), 125 Hz (8. Ordnung
der Resonanz) etc. Bei einer Brennkraftmaschine mit 8 Zylindern
ergeben sich bei einer Variation der Ansteuerfrequenz f2 (= Betriebsfrequenz
f2B) des Einspritzventils 2 Resonanzstellen fR für die Drehzahl
n der Brennkraftmaschine gemäß der Beziehung:
n = f2/k·60
min-1
(k = Anzahl der Einspritzvorgänge pro
Umdrehung);
bei einer Variation der Ansteuerfrequenz f2 ergeben sich
bei einer in 4 Arbeitstakten betriebenen Brennkraftmaschine (k =
4, d.h. bei einer Bestromung des Einspritzventils 2 bei
einer Variation des Kurbelwellendrehwinkels der Brennkraftmaschine
von jeweils 90°)
hierdurch Resonanzen bei folgenden Drehzahlen n der Brennkraftmaschine
wobei: 4. Ordnung (f2 = 250 Hz) bei n = 3750 min-1,
5. Ordnung (f2 = 200 Hz) bei n = 3000 min-1,
6. Ordnung (f2 = 167 Hz) bei n = 2500 min-1,
7. Ordnung (f2 = 143 Hz) bei n = 2143 min-1,
8. Ordnung (f2 = 125 Hz) bei n = 1875 min-1 etc.
-
Gemäß dem Zeitdiagramm
der 2 wird für die Ansteuerung
des Druckregelventils 1 mit einer konstanten Betriebsfrequenz
f1B des Druckregelventils 1 von bsp. 1 kHz eine erste konstante
Ansteuerfrequenz f1o mit einer höheren
Frequenz (bsp. f1o = 1.04 kHz) als die konstante Betriebsfrequenz
f1 des Druckregelventils 1 und eine zweite konstante Ansteuerfrequenz
f1u mit einer niedrigeren Frequenz (bsp. f1u = 0.96 kHz) als die
konstante Betriebsfrequenz f1 des Druckregelventils 1 vorgegeben;
d.h. sowohl die Frequenzdifferenz Δf1o zwischen der ersten konstanten
Ansteuerfrequenz f1o des Druckregelventils 1 und der Betriebsfrequenz
f1B des Druckregelventils 1 als auch die Frequenzdifferenz Δf1u zwischen
der zweiten konstanten Ansteuerfrequenz f1u des Druckregelventils 1 und
der Betriebsfrequenz f1B des Druckregelventils 1 beträgt 40 Hz.
-
Für jede Einflüsse auf
das Einspritzsystem zeitigende Resonanzstelle fR wird in Abhängigkeit der
Resonanzbeziehung f1o = i·f2
bzw. f1u = i·f2
für die
erste Ansteuerfrequenz f1o des Druckregelventils 1 ein
erster Resonanzbereich RBo („verbotener" Frequenzbereich
für die
erste Ansteuerfrequenz f1o) und für die zweite Ansteuerfrequenz
f1u des Druckregelventils 1 ein zweiter Resonanzbereich
RBu („verbotener" Frequenzbereich
für die
zweite Ansteuerfrequenz f1u) festgelegt. Bsp. beträgt die Breite
der Frequenzbänder ΔfRo der ersten
Resonanzbereiche RBo für
die erste Ansteuerfrequenz f1o des Druckregelventils 1 bei
der 5. Ordnung der Resonanz 11 Hz und bei der 6. Ordnung der Resonanz
9 Hz, die Breite der Frequenzbänder ΔfRu der zweiten
Resonanzbereiche RBu für
die zweite Ansteuerfrequenz f1u des Druckregelventils 1 bei
der 4. Ordnung der Resonanz 12 Hz und bei der 5. Ordnung der Resonanz
11 Hz.
-
Bei
einer Änderung
der Drehzahl n der Brennkraftmaschine ändert sich die an diese Drehzahl
n gekoppelte Ansteuerfrequenz f2 des Einspritzventils 2:
gemäß der Kurve
(a) der 2 wird die Drehzahl
n der Brennkraftmaschine und damit die Ansteuerfrequenz f2 (= Betriebsfrequenz
f2B) des Einspritzventils 2 kontinuierlich erhöht (Beschleunigungsvorgang),
gemäß der Kurve
(b) der 2 wird die Drehzahl
n der Brennkraftmaschine und damit die Ansteuerfrequenz f2 (= Betriebsfrequenz
f2B) des Einspritzventils 2 kontinuierlich erniedrigt (Abbremsvorgang).
Beim Erreichen eines Resonanzbereichs RB durch die Ansteuerfrequenz
f2 des Einspritzventils 2 wird die aktuell vorgegebene
Ansteuerfrequenz f1o bzw. f1u des Druckregelventils 1 auf
die jeweils andere Ansteuerfrequenz f1u bzw. f1o des Druckregelventils 1 umgeschaltet;
bsp. wird bei einer kontinuierlichen Erniedrigung der Drehzahl n
der Brennkraftmaschine von der 3. Ordnung der Resonanz (d.h. von
hohen Drehzahlen n bzw. hohen Ansteuerfrequenzen f2 des Einspritzventils 2 her
kommend) gemäß der Kurve
(b) der 2 zunächst die
zweite Ansteuerfrequenz f1u für
das Druckregelventil 1 vorgegeben, beim Erreichen des zweiten
Resonanzbereichs RBu für
die 4. Ordnung der Resonanz wird auf die erste Ansteuerfrequenz
f1o des Druckregelventils 1 umgeschaltet, beim Erreichen
des ersten Resonanzbereichs RBo für die 5. Ordnung der Resonanz wird
auf die zweite Ansteuerfrequenz f1u des Druckregelventils 1 umgeschaltet,
beim Erreichen des zweiten Resonanzbereichs RBu für die 5.
Ordnung der Resonanz wird wieder auf die erste Ansteuerfrequenz
f1o des Druckregelventils 1 umgeschaltet usw.