DE3909141A1 - Schaltungsanordnung fuer den betrieb eines elektromagnetischen verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere einer Erregerwicklung, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines derartigen Verbrauchers.

Elektromagnetische Verbraucher der eingangs genannten Art kommen zum Beispiel als Erregerwicklungen von Magnetventilen zum Einsatz, die in Einspritzanlagen von Verbrennungsmotoren Verwendung finden. Die Erre­ gerwicklung wird über mindestens ein in Reihe ge­ schaltetes Steuerglied aus einer Spannungsquelle, z. B. einer Batterie, gespeist. Zum Einschalten des Mag­ netventils wird das Steuerglied durchgesteuert, so daß der Verbraucherstrom schnellstmöglich ansteigt und das Anziehen des Magnetventilankers bewirkt. Der Stromanstieg pro Zeiteinheit und damit die Anzugszeit des Magnetventils sowie das sich Einstellen des sta­ tionären Betriebsstroms unterliegen einer Vielzahl von inneren und äußeren Einflüssen und sind daher z. B. von der Spannung der Spannungsquelle, den vor­ handenen Widerständen (auch Leitungs- und Lötwider­ ständen), Induktivitäten, bauelementspezifischen Exemplarstreuungen sowie schaltungsabhängigen Streu­ ungen und aber auch von sich möglicherweise einstel­ lenden Driftvorgängen, z. B. durch Temperatur­ einflüsse, abhängig. Die genannten Umstände wirken sich unter anderem auf die Anzugszeit der genannten Magnetventile aus, so daß bei der Realisierung einer exakten Steuerung der Einspritzanlage möglicherweise Schwierigkeiten auftreten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß weitestgehend unabhängig von inneren und äußeren Einflüssen ein stets reproduzierbarer, exakter Betrieb des elektromagnetischen Verbrauchers möglich ist. So lassen sich stets im wesentlichen gleiche Anzugszeiten der Magnetventile realisieren, so daß eine zeitlich exakte Kraftstoffeinspritzung erfolgen kann.

Ohne die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung würde ein Einschalten des elektromagnetischen Verbrauchers zu einem Verbraucherstrom führen, bei dem der Strom­ anstieg pro Zeiteinheit und auch der sich einstel­ lende stationäre Betriebsstrom von den jeweils vor­ liegenden Gegebenheiten abhängig ist. Bei einer Serienproduktion wird man daher davon ausgehen müs­ sen, daß je nach Streuungen der Schaltungsaufbauten und der Bauelemente bei den einzelnen Geräten unter­ schiedliche Werte auftreten, was der angestrebten, exakten Steuerung der Magnetventile entgegensteht. Durch die erfindungsgemäße Vorgabe eines Sollwertpro­ fils und das Einbinden des Steuerglieds in eine Rege­ lungseinrichtung werden die genannten zu Streuungen führenden Einflüsse weitestgehend eliminiert. Die exakte Sollwertvorgabe ermöglicht es auch, Driftvor­ gänge, wie sie z. B. durch Temperatureinflüsse ent­ stehen, weitestgehend auszuschließen. Bei einer Serienproduktion kann demgemäß davon ausgegangen wer­ den, daß die einzelnen Geräte im wesentlichen identi­ sche Werte aufweisen, so daß die Anzugszeiten der Magnetventile etwa gleich groß sind. Dies gilt auch für die verschiedenen Magnetventile innerhalb eines Gerätes.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Sollwertprofil der Geber­ schaltung das Stromanstiegsverhalten und/oder die Größe des stationären Betriebsstroms und/oder das Stromabnahmeverhalten vorgibt. Mithin erfolgt ein zeitlich genau definiertes Anziehen des Magnetventils und aber auch - durch das Stromabnahmeverhalten - ein entsprechendes Abfallen, so daß auch der Schließzeit­ punkt des entsprechenden Magnetventils bei den ein­ zelnen Geräten innerhalb geringster Toleranzen vorge­ geben werden kann. Die Vorgabe der Größe des statio­ nären Betriebsstroms stellt sicher, daß ein einwand­ freies Anziehen des Magnetventilankers erfolgt.

Für einen besonders einfachen Schaltungsaufbau weist die Regelungseinrichtung einen Operationsverstärker auf, an dessen Differenzeingängen der Sollwertverlauf und der Istwertverlauf des Verbraucherstroms anliegt und dessen Ausgang das Steuerglied ansteuert. Demzu­ folge ist der Ausgang der Geberschaltung mit einem der Differenzeingänge verbunden.

Für das Starten des Einschaltvorgangs des elektromag­ netischen Verbrauchers weist die Geberschaltung einen Starteingang zur Auslösung der Abgabe des Sollwert­ profils auf.

In Abhängigkeit von den zum Einsatz gelangenden Bau­ elementen können diese eine entsprechende Stromänderungsgeschwindigkeit und auch einen entspre­ chenden stationären Betriebsstrom erfordern. Vorzugs­ weise ist daher vorgesehen, daß an der Geberschaltung die zeitabhängige Stromänderung und der stationäre Betriebsstrom einstellbar sind.

Zur Ermittlung des Istwertes liegt im Verbraucher­ stromkreis eine Meßanordnung. Diese ist vorzugsweise als Shunt ausgebildet.

Um - entsprechend der Sollwertprofil-Vorgabe - eine entsprechende Einstellung des Verbraucherstroms vornehmen zu können, ist das Steuerglied als steuer­ barer Widerstand, vorzugsweise als Transistor, ausge­ bildet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines elektromagnetischen, insbesondere als Erregerwicklung ausgebildeten Verbrauchers, der über ein Steuerglied von einer Spannungsquelle versorgt wird, wobei das Steuerglied in einem Regelkreis der­ art betrieben wird, daß der Verbraucherstrom einem Streuungen und/oder Driftvorgänge berücksichtigenden Sollwertprofil folgt. Kern der Erfindung ist es dem­ gemäß, das Sollwertprofil derart vorzugeben, daß alle inneren und äußeren Störungs- und Streuungsgrößen be­ rücksichtigt sind, so daß auch bei einem Zusammen­ treffen mehrerer ungünstiger Exemplarstreuungen und dergleichen dennoch sichergestellt ist, daß das Steuerglied entsprechend der Sollwertvorgabe einen Betrieb des elektromagnetischen Verbrauchers vorneh­ men kann. Mithin weisen die beispielsweise in Serie hergestellten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Schaltungsanordnungen trotz der immer vorhandenen Streuungen die gleichen Daten auf, so daß im Falle des Einsatzes von Magnetventilen im wesent­ lichen identische Anzugs- und auch Abfallzeiten vor­ liegen und das durch Vorgabe des stationären Be­ triebsstroms das einwandfreie Halten eines angezoge­ nen Magnetventilankers sichergestellt ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanord­ nung für den Betrieb eines elektromagnetischen Verbrauchers,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung in detailierter Ausgestaltung,

Fig. 3 ein Diagramm betreffend ein Startsignal für eine Sollwertprofil-Geberschaltung und

Fig. 4 ein Diagramm betreffend ein Sollwert-Vorga­ beprofil der Geberschaltung.

Beschreibung

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Schaltungsanordnung für den Betrieb eines elektromag­ netischen Verbrauchers 1, der als Erregerwicklung 2 eines Magnetventils 3 ausgebildet ist. Ein derartiges Magnetventil 3 wird vorzugsweise bei der Steuerung der Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors ver­ wendet. Die Erregerwicklung 2 ist mit einem Steuer­ glied 4 in Reihe geschaltet und wird über eine Span­ nungsquelle 5′, z. B. eine Batterie, gespeist. Das Steuerglied 4 ist vorzugsweise als Transistor 5 aus­ gebildet.

Die Ansteuerung des Steuerglieds 4 ist in der Fig. 2 näher dargestellt. Die Basis 6 des Transistors 5 führt zu dem Ausgang 7 eines Operationsverstärkers 8. Die Schaltungsanordnung ist nun so aufgebaut, daß eine Regelungseinrichtung 9 zur Regelung des Ver­ braucherstroms i gebildet wird. Hierzu wird dem Differenzeingang 10 des Operationsverstärkers 8 ein Strom-Sollwert i _soll von einer Geberschaltung 12 zu­ geführt und an den anderen Differenzeingang 11 des Operationsverstärkers 8 der Istwert i _ist des Verbraucherstroms i angelegt.

Die Ermittlung des Verbraucherstroms i erfolgt mit­ tels einer Meßanordnung 13, die insbesondere einen vom Verbraucherstrom i durchflossenen Shunt 14 auf­ weist. Der erzeugte Spannungsabfall an dem Shunt 14 stellt ein Maß für die Größe des Verbraucherstroms i dar und entspricht demgemäß dem Istwert i _ist.

An der Geberschaltung 12 läßt sich die Stromänderung pro Zeiteinheit des Sollwertes di _soll/dt und auch die Größe der maximalen Amplitude des Sollwertes i _{max soll} vorgeben. Dieses ist durch die Pfeile 15 und 16 angedeutet (Fig. 2).

Aus der Fig. 3 geht der zeitliche Verlauf des Start­ signals der Geberschaltung 12 hervor; es ist als ein von "0" auf einen bestimmten Wert springender Span­ nungsimpuls ausgebildet.

Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm, auf dessen Ordinate der Strom i und auf dessen Abszisse die Zeit t darge­ stellt sind. Der am Ausgang 17 der Geberschaltung an­ liegende Sollwert i _soll ist in der Fig. 4 gestri­ chelt dargestellt und verläuft nach einem vorgegebe­ nen Sollwertprofil 18. Dieses Sollwertprofil 18 be­ sitzt eine Anstiegsflanke, die von der Änderung des Stromes i _soll in Bezug auf die Zeit bestimmt ist (di _soll/dt). Diese Flanke ist hier beispielhaft li­ near ausgebildet, d. h. die Stromänderung pro Zeiteinheit ist stets gleich. Der Strom geht in einen konstanten Wert über; mithin wird eine Strombegren­ zung vorgenommen. Ferner zeigt die Fig. 4 in durchgezogener Linie den Verlauf des Verbraucher­ stroms i, welcher durch die Regelung dem Sollwert i _soll entspricht. Demgemäß besteht ebenfalls eine lineare Stromanstiegsflanke, die in den stationären Betriebsstrom i _max übergeht.

Die Funktionsweise wird im nachstehenden erläutert:

Ein Aufschalten des Startsignals auf die Geberschal­ tung 12 führt zur Abgabe eines Ausgangssignals am Ausgang 17, das dem (positiven) Differenzeingang 10 des Operationsverstärkers 8 zugeleitet wird. Dieses Ausgangssignal entspricht dem Sollwertprofil 18. Die Stromänderung pro Zeiteinheit (i _soll /dt) und auch der Maximalwert des Sollwertes (i _{soll max} ) können an der Geberschaltung 12 eingestellt und demgemäß ent­ sprechend vorgegeben werden.

Der dem Operationsverstärker 8 zugeleitete Sollwert i _soll führt zu einem entsprechenden Signal am Ausgang 7, mit dem die Basis 6 des Transistors 5 angesteuert wird. Je nach Stärke dieses Signals wird der Transi­ stor 5 mehr oder weniger ausgesteuert, so daß die Spannung U der Spannungsquelle 5′ einen ent­ sprechenden Strom i durch die Erregerwicklung 2, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 5 und das Shunt 14 treibt. Der hierdurch am Shunt 14 auf­ tretende Spannungsabfall wird als Istwert i _ist dem Differenzeingang 11 des Operationsverstärkers 8 zuge­ leitet.

Die maximale Amplitude des Sollwertes i _{soll max} und damit der entsprechende stationäre Betriebsstrom i _max der Erregerwicklung 2 wird nun so gewählt, daß dieser Wert für ein Anziehen des Magnetventils 3 sicher aus­ reicht und innerhalb des möglichen Betriebsbereichs der Spannungsquelle 5′ und der im Leistungskreis vor­ handenen ohmschen Widerstände sowie unter Berücksich­ tigung von schaltungsspezifischen und bauelementspe­ zifischen Streuungen sowie möglicherweise auftreten­ den Driftvorgängen zumindest bei vollständigem Durch­ steuern des Transistors 5 stets eingestellt werden kann. Die Stromänderung pro Zeiteinheit des Sollwer­ tes di _soll/dt wird derart gewählt, daß diese stets kleiner ist als die ebenfalls durch die genannten Streuungen und/oder durch Driftvorgänge beeinflußte kleinste zeitabhängige Stromänderung di/dt mit der der Verbraucherstrom i beim vollständigen Durchschal­ ten des Transistors 5 im Bereich 0 < i < i _max anstei­ gen würde. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Transistors 5 während des Einschaltvorgangs durch die Regelungseinrichtung 9 als steuerbarer Widerstand stets so betrieben ist, daß der Verbraucherstrom i dem - wie beschrieben - vorgegebenen Sollwert dyna­ misch und ohne nennenswerte Abweichungen folgt und auch den vorgegebenen statischen Wert i _max annehmen kann. Dabei werden erfindungsgemäß äußere und innere Einflüsse bei der Vorgabe des Sollwertprofils berück­ sichtigt. Als äußere Einflüsse sind z. B. Tempera­ turänderungen anzusehen; innere Einflüsse liegen z. B. durch Exemplarstreuungen bei den Bauelementen vor. Es wird demgemäß, das durch die Streuungen und/oder Driftvorgänge bestimmte Toleranzband ermittelt und danach das Sollwertprofil derart vorgegeben, daß auch beim Zusammentreffen mehrerer ungünstiger Einflüsse stets noch der gewünschte Verbraucherstromverlauf mittels des Transistors 5 eingestellt werden kann. Infolgedessen wird die Abhängigkeit des Stromanstiegs und damit der Anzugzeit des Magnetventils 3 von Schwankungen und Toleranzen und dergleichen, Änderun­ gen der Batteriespannung, der ohmschen Widerstände, der Induktivitäten und der Kapazitäten usw. elimi­ niert. Insbesondere sind bei einer Serienproduktion bei den einzelnen Geräten und auch innerhalb der ein­ zelnen Geräte selbst stets etwa gleiche Verhältnisse sichergestellt.

Eine entsprechende Vorgehensweise kann beim Ausschal­ ten des Magnetventils 3 erfolgen, so daß ein kontrol­ liertes Abfallen mit vorgegebener Abnahmegeschwindig­ keit des Verbraucherstroms i in analoger Weise mög­ lich ist. Hierzu muß das Sollwertprofil 18 eine ent­ sprechende (nicht dargestellte) Abfallflanke auf­ weisen.

Erfindungsgemäß wird somit ein reproduzierbares, kon­ trolliertes Einschalten bzw. Ausschalten des Magnet­ ventils 3 dadurch erreicht, daß die Größe und die Än­ derungsgeschwindigkeit des Sollwertes des Magnetven­ tilstroms durch eine Sollwertprofil-Geberschaltung 12 derart vorgegeben werden, daß der tatsächliche Mag­ netventilstrom diesen Verlauf - durch eine Rege­ lungseinrichtung 9 kontrolliert - im gesamtmöglichen Betriebsbereich der Schaltung bzw. innerhalb deren individueller schaltungs- und bauelementspezifischer Streuungsbreite sowie unter Berücksichtigung von möglicherweise vorliegenden Driftvorgängen dynamisch ohne nennenswerte Abweichungen folgen und auch vorge­ gebene statische Werte äußerst genau annehmen kann.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung für den Betrieb eines elek­ tromagnetischen, insbesondere als Erregerwicklung ausgebildeten Verbrauchers, der über ein Steuerglied an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (4) Bestandteil einer Regelungseinrich­ tung (9) ist und über eine Geberschaltung (12) derart betrieben wird, daß der Verlauf des Verbraucherstroms (i) einem Streuungen und/oder Driftvorgänge berück­ sichtigenden Sollwertprofil (18) folgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sollwertprofil (18) der Geberschaltung (12) das Stromanstiegsverhalten (di/dt) und/oder die Größe des stationären Betriebsstroms (i _max ) und/oder das Stromabnahmeverhalten (-di/dt) vorgibt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Regelungseinrichtung (9) einen Operationsverstärker (8) aufweist, an dessen Differenzeingängen (10, 11) der Sollwert-Verlauf und der Istwert-Verlauf des Verbraucherstroms (i) anlie­ gen und dessen Ausgang (17) das Steuerglied (4) ansteuert.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgang (17) der Geberschaltung (12) mit einem der Differenzeingänge (10, 11) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Geberschaltung (12) einen Startein­ gang zur Auslösung der Abgabe des Sollwertprofils (18) besitzt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Geberschaltung (12) die zeitabhän­ gige Stromänderung (di/dt) und der stationäre Betriebsstrom (i _max ) einstellbar sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Verbraucherstromkreis liegende Meßanordnung (13) zur Ermittlung des Istwertes i _ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßanordnung (13) ein Shunt (14) ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuerglied (4) ein Transistor (5) ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektromagnetische Verbraucher (1) die Erregerwicklung (2) eines Magnetventils (3), vorzugs­ weise für die Steuerung einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors ist.

11. Verfahren für den Betrieb eines elektromagneti­ schen, insbesondere als Erregerwicklung ausgebildeten Verbrauchers, vorzugsweise unter Einsatz einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1 bis 10, bei dem der Verbraucher über ein Steuerglied von einer Spannungsquelle versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (4) in einem Regelkreis (Regelungsein­ richtung 9) derart betrieben wird, daß der Verbrau­ cherstrom (i) einem Streuungen und/oder Driftvorgänge berücksichtigenden Sollwertprofil folgt.