DE3623651A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur ermittlung eines stellglied-sollwertes - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Schaltungs­ anordnung zur Ermittlung eines elektrischen Sollwertes für Stell­ glieder nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung (DE-OS 32 07 179) dieser Art werden zur Ermittlung des Sollwertes eines Kraftstoffzumeßsytems für eine Brennkraftmaschine ein elektromagnetisches Wegeventil als Stellglied zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung mit einem ge­ takteten und geregelten Gleichstromsignal angesteuert, dessen Tast­ verhältnis von verschiedenen Betriebsparametern zu beeinflussen ist. Dabei werden die verschiedenen Betriebsparameter über Sensoren er­ faßt und in einem elektrischen Summenpunkt in der Weise verarbeitet, daß die verschiedenen Betriebskenngrößen zur Startanreicherung in entsprechenden Korrekturstufen Teilströme erzeugen, die im elek­ trischen Summenpunkt zu einem Gesamtstrom addiert werden, mit dem das Stellglied gesteuert wird.

Eine solche Schaltungsanordnung muß speziell für jeden Motortyp und für jede Verstell-Kennlinie ausgelegt und berechnet werden. Außerdem lassen sich hierbei nur solche Betriebsparameter berücksichtigen, die in geeignete Teilströme für den Summenpunkt umgewandelt werden können. Die bekannte Lösung ist daher nur für einen begrenzten An­ wendungsbereich geeignet.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei beliebigen Kennlinien der Sensoren für verschiedene Betriebsparameter und bei einer beliebigen Kennlinie des Stellgliedes auf einfache Weise je­ weils einen von den benötigten Betriebsparametern abhängigen Soll­ wert zu ermitteln und das Stellglied auf diesen Sollwert einzu­ stellen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Neben­ anspruchs hat den Vorteil, daß zur Ermittlung und Verarbeitung der benötigten Betriebsparameter verschiedene Sensoren verwendet werden können, mit denen der Einfluß der jeweiligen Betriebsparameter auf den Sollwert durch entsprechende frei wählbare Kennlinien festgelegt wird, indem sie in Form von Tabellen im Datenspeicher abgelegt wer­ den. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß auch zur Reali­ sierung verschiedener Kennlinien des Stellgliedes bzw. einer Kenn­ linie für verschiedene Stellglieder eine dem Stellglied zugeordnete Tabelle im Datenspeicher zur Verfügung steht. Dadurch besteht die Möglichkeit, für die verschiedensten Anwendungsfälle von Stell­ gliedern jeweils einen Sollwert zu ermitteln, der seinerseits wie­ derum von unterschiedlichen Führungsgrößen zu beeinflussen ist. Da­ bei können die Führungsgrößen als Parameter sowohl als Analogwerte, Frequenzwerte oder als logische Signale (1/0) in den Rechner einge­ geben werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Eine besonders einfache und zweck­ mäßige Lösung ergibt sich dadurch, daß der Sollwert als getaktetes Steuersignal an einem Ausgang des Rechners ausgegeben und über eine Verstärkerschaltung einem in einer Gleichstromversorgung des Stell­ gliedes liegenden kontaktlosen Schaltelement zugeführt wird. Eine Stromregelung des Stellgliedes auf diesen Sollwert ist in vorteil­ hafter Weise dadurch möglich, daß an einem mit dem Stellglied elek­ trisch in Reihe liegenden Meßglied ein Istwert der Regelgröße er­ mittelt und dem Eingang eines im Rechner enthaltenen Reglers zu­ geführt wird, daß der Istwert im Rechner digitalisiert und dann mit dem der Tabelle entnommenen Sollwert verglichen wird. Abhängig von der Differenz zwischen Sollwert und Istwert wird sodann über den Ausgang des Rechners der Stromflußwinkel des Stellgliedes korri­ giert. Der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Führungsgrößen und der Stell- oder Regelgröße, der nicht linear sein muß, ist in zweckmäßigerweise dadurch realisierbar, daß die Sensorsignale für die verschiedenen Betriebsparameter über die ihnen zugeordneten Ta­ bellen in einzelne Stellwege umgerechnet werden, die zu einem Ge­ samtstellweg addiert werden und daß mit diesem Gesamtstellweg über die weitere Tabelle ein entsprechender Strommittelwert für das elek­ tromagnetische Stellglied ermittelt und eingestellt wird.

Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens kann dabei in einfacher Weise aus einem Mikrocomputer bestehen, in dem sowohl Rechner, Regler und Datenspeicher vereinigt sind und über dessen Eingänge die verschiedenen Sensorsignale sowie der Istwert anstehen und über dessen Ausgang der Sollwert bzw. Stellwert abzugeben ist. Dabei sind vorzugsweise die verschiedenen Tabellen zur Sollwerter­ mittlung in einem gemeinsamen Datenspeicher abgelegt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltungsprinzip zur Bildung eines Sollwertes für ein elektromagnetischen Wegeventil mit einer Sollwertregelung, Fig. 2 ein Flußdiagramm der Schaltung aus Fig. 1, Fig. 3a die Kennlinie für ein Betriebsparameter, Fig. 3b die Kennlinie des Stellgliedes und Fig. 4 die Schaltung aus Fig. 1 mit dem Schal­ tungsaufbau des Sollwert-Verstärkers und des Istwert-Meßgliedes.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 ist das Schaltungsprinzip zur Sollwertbildung und Rege­ lung für eine kontinuierliche Kraftstoffeinspritzanlage von Brenn­ kraftmaschinen dargestellt. Das dafür vorgesehene, mit 10 bezeich­ nete Stellglied ist ein elektromagnetisches Wegeventil, das in einer Kraftstoffleitung 11 angeordnet ist und zur stetigen Verstellung einen Elektromagneten 12 aufweist, der über eine Anschlußklemme 13 an eine Gleichstromversorgung anzuschließen ist. Die Durchflußmenge des von einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe durch die Kraft­ stoffleitung 11 beförderten Kraftstoffs wird durch das Stellglied 10 gesteuert, indem der Stellweg des Stellgliedes 10 in Abhängigkeit von mehreren Parametern veränderbar ist. Diese Parameter sind unter anderem Drehzahl n, Temperatur ϑ und Verstellweg oder Verstell­ winkel ∡ eines Gaspedales. Die verschiedenen Parameter werden durch entsprechende Sensoren 14, 15, 16 laufend gemessen und durch ent­ sprechende elektrische Werte auf verschiedene A/D-Eingänge eines Mikrocomputers 17 gegeben. Dem Mikrocomputer 17 können weitere Parameter in Form von Sensorsignalen, wie beispielsweise ein Anlaßsignal für eine Startanreicherung oder dgl. zugeführt werden. Der Mikrocomputer 17 enthält unter anderem einen Prozessor 18 sowie einen PROM als Datenspeicher 19, in dem in Abhängigkeit von der Einspritzanlage weiter unten erläuterte Daten in Tabellenform zur Bildung eines Sollwertes abgelegt sind. Prozessor 18 und Daten­ speicher 19 sind über einen Datenbus 20 und einen Steuerbus 21 mit­ einander in bekannter Weise verbunden. Über einen Ausgang 22 des Mikrocomputers 17 wird ein getaktetes Steuersignal über eine Ver­ stärkerstufe 23 einem kontaktlosen Schaltelement 24 zugeführt, wel­ ches dem Elektromagneten 12 des Stellgliedes 10 vorgeschaltet ist und damit in dessen Gleichstromversorgung liegt. Dabei bildet das getaktete Steuersignal einen Sollwert für das Tastverhältnis des durch das Schaltelement 24 getakteten Gleichstromsignals und bei un­ veränderter Gleichspannung für den Strommittelwert. Da der Strom­ mittelwert außer vom Tastverhältnis auch noch von verschiedenen Störgrößen wie Spannungsschwankungen und dgl. abhängig ist, ist dem Elektromagneten 12 des Stellgliedes 10 noch ein Meßglied 25 nach­ geschaltet, welches den Istwert des Strommittelwertes für den Elek­ tromagneten 12 ermittelt und über einen A/D-Eingang 26 dem Mikro­ computer 17 zuführt. Über einen im Prozessor 18 realisierten Propor­ tional-Integral-Differential-Regler wird dort über einen Soll-Ist- Vergleich der Strommittelwert des Stellgliedes 10 in an sich be­ kannter Weise auf den vom Mikroprozessor 17 ermittelten Sollwert geregelt.

Die Ermittlung und Regelung des Sollwertes soll nunmehr mit Hilfe des Flußdiagrammes in Fig. 2 näher erläutert werden, das vom Mikro­ prozessor 18 zyklisch durchlaufen wird. Nach dem Start 30 wird im ersten Schritt 31 des Flußdiagramms der vom Drehzahlsensor 14 ermittelte Drehzahlwert in dem Mikrocomputer 17 eingelesen. Für die Drehzahl als Betriebsparameter ist im Datenspeicher 19 eine Ta­ belle abgelegt, die beispielsweise der in Fig. 3a dargestellten Kennlinie Kn entspricht. Diese Kennlinie Kn gibt den Stellweg SW 1 für das Stellglied 10 als Funktion der Drehzahl n wieder. Diese Kennlinie Kn ist ebenso wie entsprechende Kennlinien für weitere Stellwege als Funktion der Temperatur, der Gaspedalstellung oder anderer Betriebsparameter für den jeweiligen Anwendungsfall zu er­ mitteln und in Form von Tabellen 1, 2 . . . n im Datenspeicher 19 ab­ zulegen.

Mit dem im Schritt 31 des Flußdiagramms ermittelten Drehzahlwert wird nun über die Tabelle 1 des Datenspeichers 19 im Schritt 32 der dieser Drehzahl zugeordnete Tabellenwert für den Stellweg SW 1 ab­ gerufen und zwischengespeichert. Im folgenden Schritt 33 wird nun die vom Sensor 15 gemessene Temperatur ϑ vom Mikrocomputer 17 ein­ gelesen. Aus dem digitalisierten Temperaturwert wird nun im Schritt 34 aus der diesem Betriebsparameter zugeordneten Tabelle 2 des Da­ tenspeichers 19 der Tabellenwert SW 2 des durch die Temperatur vorge­ gebenen Stellweges abgerufen und zwischengespeichert. In nachfol­ genden Schritten können nunmehr noch weitere Betriebsparameter be­ rücksichtigt werden und ihr Einfluß auf das Stellglied 10 über wei­ tere entsprechende Tabellen des Datenspeichers 19 ermittelt werden. Im Schritt 35 wird schließlich der letzte zu berücksichtigende Be­ triebsparameter, im Beispielsfall die Gaspedalstellung durch den Winkelsensor 16 in den Mikrocomputer 17 eingelesen und aus der die­ sem Parameter zugeordneten Tabelle n des Datenspeichers 19 wird der der Gaspedalstellung entsprechende Stellweg als Tabellenwert SWn ab­ gerufen und zwischengespeichert. Im nächsten Schritt 37 werden nun die einzelnen Tabellenwerte SW 1 bis SWn zu einem Gesamtwert addiert.

Anschließend wird nun im Schritt 38 mit diesen Gesamtwert Σ SW aus einer weiteren Tabelle I des Datenspeichers 19 ein Tabellenwert I für den Strommittelwert des Stellgliedes 10 abgerufen, der den aus den verschiedenen Betriebsparametern zusammengesetzten gesamten Stellweg des Stellgliedes 10 zugeordnet ist. Fig. 3b zeigt eine mögliche Kennlinie Kst für das Stellglied 10, welche die Beziehung zwischen Strommittelwert I und Gesamtstellweg Σ SW wiedergibt. Auch diese Kennlinie ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall bzw. von dem verwendeten Stellglied vorab zu ermitteln und als Tabelle im Datenspeicher 19 abzulegen.

Im Schritt 39 des Flußdiagramms wird nun aus dem vorliegenden Tabel­ lenwert für den Strommittelwert als Sollwert ein getaktetes Steuer­ signal über den Ausgang 22 abgegeben, welches über die Verstärker­ stufe 23 das Schaltelement 24 ansteuert und damit das Tastverhältnis des dem Stellglied 10 zugeführten getakteten Gleichstroms bestimmt. Durch das Meßglied 25 wird der Gleichstrommittelwert des Stell­ gliedes 10 gemessen und als Istwert im Schritt 40 über den Eingang 26 in den Mikrocomputer 17 eingegeben. Dort wird im Schritt 41 ein Soll/Ist-Vergleich vorgenommen. Sofern eine Differenz auftritt, wird im Schritt 42 über den im Mikrocomputer 17 enthaltenen PID-Regler eine Korrektur des getakteten Steuersignals am Ausgang 22 vorgenom­ men. In einer Schleife 43 werden die Schritte 39 bis 42 solange durchlaufen, bis der Soll/Ist-Vergleich bei schnellen Regelsystemen keine auszuregelnde Differenz mehr zeigt. Dann werden über eine Schleife 44 die Schritte 31 bis 39 zur Ermittlung eines neuen Soll­ wertes erneut durchlaufen. Bei langsamen Regelanlagen wie Leerlauf­ regelung, Antiblockiersysteme, Getriebehydraulik kann eine verzö­ gerte Nachregelung zumindest des I- und P-Anteils durch mehrmaligen Schleifendurchlauf erfolgen. Es erfolgt dann gegebenenfalls ein Rücksprung von Schritt 42 nach Schritt 31 im Flußdiagramm, bzw. es ist der kleinen Regelschleife 42 bis 30 eine große Regelschleife 42 bis 31 überlagert, was mit 43 a gestrichelt dargestellt ist.

In Fig. 4 ist der Schaltungsaufbau der Verstärkerstufe 23 und des Meßgliedes 25 aus Fig. 1 im einzelnen dargestellt. Die getaktete Steuerspannung, die mit einer vom Mikrocomputer 17 vorgegebenen festen Frequenz Steuerimpulse mit einem vom ermittelten sollwert­ abhängigen Tastverhältnis an der Ausgangsklemme 22 des Mikrocom­ puters 17 auftritt, wird über einen Inverter 45 negiert und an­ schließend über einen Widerstand 46 auf die Basis eines NPN-Steuer­ transistors 47 gegeben, der emitterseitig auf Masse liegt und dessen Kollektor den Ausgang der Schaltstufe 23 bildet. Dieser Ausgang ist über einen weiteren Widerstand 48 mit der Basis eines als Schaltele­ ment verwendeten PNP-Leistungstransistors verbunden, dessen Emitter über Klemme 13 an das Gleichstrom-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges an­ zuschließen ist und dessen Kollektor mit dem Eingang des Elektro­ magneten 12 des Stellgliedes 10 in Verbindung steht. Zur Vermeidung von Induktionsspitzen und für den Freilaufstrom beim Abschalten des Elektromagneten 12 ist diesen eine gegen Masse geschaltete Diode 53 antiparallel geschaltet.

Das Meßglied 25 ist zwischen dem Ausgang des Elektromagneten 12 und Masse geschaltet. Es hat einen Meßwiderstand 48, der unmittelbar im Stromkreis des Elektromagneten 12 liegt und dessen Spannungsabfall als Meßspannung abhängig von der Stromstärke im Meßwiderstand 48 und von dem Takt des Gleichstromes abhängt. Die am Meßwiderstand 48 auf­ tretende Meßspannung wird über Glättungsstufen in ein gleichför­ miges, dem Strommittelwert im Meßwiderstand 48 proportionales Aus­ gangssignal umgeformt, welches über den Eingang 26 des Mikrocom­ puters 17 eingelesen und anschließend digitalisiert wird. Die Glät­ tungsstufen des Meßgliedes 25 bestehen aus zwei in Reihe liegende Widerstände 49 und 50, wobei jedem der Widerstände ein gegen Masse geschalteter Kondensator 51, 52 nachgeschaltet ist.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel be­ schränkt, da das Verfahren zur Ermittlung des elektrischen Sollwer­ tes für ein beliebiges Stellglied zu realisieren ist. In Abhängig­ keit von den Betriebsparametern werden dabei aus den entsprechenden Tabellen des Datenspeichers die einzelnen Stellwege 1 bis n ermit­ telt. Aus der Summe der einzelnen Stellwege wird dann der Gesamt­ stellweg errechnet und dann über eine weitere Tabelle der entspre­ chende Strommittelwert für den Gesamtstellweg als Sollwert abge­ rufen. Dem vorgegebenen Sollwert wird der von einem Meßglied er­ mittelte tatsächliche Strommittelwert als Istwert gegenübergestellt. Entsprechend der Differenz zwischen Soll- und Istwert wird dann über einen Regler durch das Tastverhältnis des getakteten Steuersignals der Stromflußwinkel für das Stellglied korrigiert. Die Korrektur kann dabei den jeweiligen Anforderungen des Regelkreises entspre­ chend ein unterschiedliches Proportional-Integral-Diffe­ rential-Verhalten haben.

Durch die Verwendung eines elektronischen Rechners, vorzugsweise eines Mikrocomputers, wird eine schnelle Verarbeitung der Daten, insbesondere der Betriebsparameter sichergestellt. Außerdem wird die Verarbeitung der Daten sowie das den Sollwert darstellende getaktete Steuersignal bei Einsatz von Zeitgebern quarzgenau ausgegeben. Außerdem können über die Tabellen beliebige Kennlinien realisiert werden, wodurch sich ein großer Anwendungsbereich ergibt. Schließ­ lich ist durch die Verwendung eines Mikrocomputers eine einfache Schlußprüfung der einzelnen Funktionen der Schaltungsanordnung mög­ lich. Durch Verwendung eines EPROMs können außerdem im Bedarfsfalle Korrekturen in den Tabellen durchgeführt werden, oder es kann aus einer Vielzahl gespeicherter Tabellen die der gewünschten Kennlinie entsprechende Tabelle ausgewählt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Sollwertes für ein Stellglied einer Regel- oder Steuerstrecke, vorzugsweise für ein elektromagnetisches Wegeventil zur Kraftstoffversorgung von Brenn­ kraftmaschinen, mit Sensoren für verschiedene Betriebsparameter, deren Signale in einer Auswerteschaltung zu einem Summensignal ver­ arbeitet werden, mit dem als Sollwert das Tastverhältnis eines ge­ takteten Gleichstromsignals bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem elektronischen Rechner (17) aus in einem Datenspeicher (19) abgelegten Tabellen (1 . . . n) den Signalen der Sensoren (14, 15, 16) zugeordnete Tabellenwerte (SW 1 . . . n) abgerufen werden, daß diese Tabellenwerte (SW 1 . . . n) zu einem Gesamtwert (Σ SW) addiert werden und daß mit diesem Gesamtwert (Σ SW) aus einer weiteren im Datenspeicher (19) abgelegten Tabelle (I) ein Sollwert für das Tast­ verhältnis des getakteten Gleichstromsignals ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll­ wert in ein mit fester Frequenz getaktetes Steuersignal umgewandelt wird, das an einem Ausgang des Rechners (17) ausgegeben und über eine Verstärkerschaltung (23) einem in einer Gleichstromversorgung des Stellgliedes (10) liegenden kontaktlosen Schaltelement (24) zu­ geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem mit dem Stellglied (10) elektrisch in Reihe liegenden Meßglied (25) ein Istwert einer Regelgröße ermittelt und dem Eingang (26) eines im Rechner (17) enthaltenen Reglers zugeführt wird, daß der Istwert im Rechner (17) digitalisiert und dann mit dem der Tabelle (I) entnommenen Sollwert verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Differenz zwischen Sollwert und Istwert über den Ausgang (22) des Rechners (17) der Stromflußwinkel des Stellgliedes 10 korrigiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorsignale für die verschiedenen Betriebs­ parameter (1 . . . n) über die ihnen zugeordneten Tabellen (1 . . . n) zu einzelne Stellwege (SW 1 . . ., SWn) umgerechnet werden, die zu einem Gesamtstellweg (Σ SW) addiert werden und daß mit diesem Ge­ samtstellweg (Σ SW) über die weitere Tabelle (I) ein entsprechender Strommittelwert für das elektromagnetische Stellglied (10) ermittelt und eingestellt wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rechner (18), Regler und Datenspeicher (19) in einem Mikrocomputer (17) vereinigt sind, über dessen Eingänge die verschiedenen Sensorsignale sowie der Istwert zugeführt und über dessen Ausgang (22) der Sollwert abzu­ geben ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Tabellen (1 . . . n I) zur Sollwertermittlung in einem gemeinsamen Datenspeicher (19) abgelegt sind.