DE4013393A1 - Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnetventils. Insbeson­ dere sollen das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltung eingesetzt werden bei Anlagen zur Steuerung des Bremsdruckes in Kraftfahrzeugen, also Schlupf-Regelanlagen, wie ABS- und ASR-Anlagen.

In der Regel- und Steuerungstechnik werden Elektromagnetventile als Stellglieder benutzt, um z. B. Drücke und Fluidströme oder bei Hubmagneten Stellstrecken zu verändern.

Insbesondere bei bezüglich der Sicherheit kritischen Anlagen ist es erforderlich, die Funktion von Elektromagnetventilen zu überwachen.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Schaltungen bekannt, um die Funktion von Magnetventilen zu überprüfen.

So beschreibt die DE 38 07 278 A1 ein Verfahren zum Überpüfen von Magnetventilen, bei dem eine Änderung des Erregerstromes der Magnetspule in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt und unter logarithmischer Verstärkung aufgezeichnet wird. Aufeinanderfol­ gende Messungen dieses Signals werden in einem Computer gespei­ chert und miteinander verglichen. Der Vergleich der aufeinander­ folgenden Messungen erlaubt eine Bewertung des Funktionszustan­ des des betreffenden Magnetventils. Für die Messung ist ein Ferritring vorgesehen, der die Zuleitung zur Magnetspule um­ schließt und mit zwei gegenläufig gewickelten Spulen versehen ist. Diese Meßanordnung ist relativ aufwendig. Verfolgt wird dabei das Einschaltsignal des Erregerstromes der Magnetspule, um aus einem charakteristischen Verhalten des zeitlichen Ver­ laufs des Stromes (bei dem ein Peak dann auftritt, wenn die Nadel des Magnetventils sich zu bewegen beginnt) eine Aussage über den Zustand des Ventils zu gewinnen.

Die WO 88/02 491 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Erfassung der Ansprechspannung eines Magnetventils, bei dem bzw. der eine Prüfspannung an das Ventil angelegt wird und diejenige Prüfspannung ermittelt wird, bei der das Ventil anspricht.

Die DE 38 17 770 A1 beschreibt eine Einrichtung zur getakteten Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils, bei der die zwei Endlagen des beweglichen Ventilelementes dadurch erfaßt werden, daß jeweils ein Einbruch des Erregungsstromes der Ventilspule erfaßt wird. Ein solcher Einbruch des Erregungsstromes erfolgt dann, wenn sich die Magnetnadel bewegt und in der Spule eine Spannung induziert.

In der DE 37 30 523 A1 wird ein Verfahren zum Ermitteln der Schaltzeiten von Magnetventilen beschrieben, bei dem mittels einer externen Energiequelle eine Induktivitätsänderung zu den Schaltzeiten des Magnetventils auf einen feststellbaren Signal­ pegel angehoben wird. Dort ist in Fig. 2b eine Schaltungsanord­ nung gezeigt, bei der eine Spannung über der Magnetspule abge­ griffen wird. Der Stromfluß durch die Magnetspule wird durch einen Transistor gesteuert. Diese Anordnung mit Abgriff einer Spannung über der Magnetspule ist bezüglich der Aussagekraft des Meßsignales verbesserungsfähig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktion eines Elektromag­ netventils zu schaffen, das bzw. die in einfacher Weise eine zuverlässige Aussage über die Funktion des Ventils ermöglicht.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentan­ sprüchen beschrieben.

Die Erfindung unterscheidet zum einen sogenannte geschaltete Endstufen, bei denen das Elektromagnetventil bei Betätigung kontinuierlich mit konstanter Spannung bzw. Strom versorgt wird, sowie sogenannte getaktete Endstufen, bei denen das Elektromagnetventil gepulst mit Spannung bzw. Strom beschickt wird. Getaktete Endstufen finden zunehmend insbesondere in der ABS-Technik Verwendung, da sie einen geringeren Leistungsver­ brauch aufweisen und schneller schaltbar sind. Für beide Arten von Endstufen schlägt die Erfindung eine Lösung der vorstehend genannten Aufgabe vor.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild für eine Elektromagnet­ ventilsteuerung für eine ABS-Anlage mit einer ge­ schalteten Endstufe;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der über der Spule (L) des Elektromagnetventils abgegriffenen Spannung sowie an­ derer Signale;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein getaktet angesteuertes Elektromagnetventil und

Fig. 4 den Verlauf des Stromes und der Spannung der Spule des Ventils gemäß Fig. 3 sowie anderer Meßgrößen.

Zunächst wird anhand der Fig. 1 und 2 die Erfindung für ein Elektromagnetventil mit geschalteter Endstufe beschrieben, d. h. die Spule des Ventils wird nicht getaktet im Betriebszustand gehalten sondern im Betriebszustand kontinuierlich mit konstan­ tem Strom gespeist.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 zeigt die Spule L eines Magnetven­ tils, an die zur Betätigung des Ventils eine Betriebsspannung U_B angelegt wird. Die Betriebsspannung U_B wirkt in bezug auf ein Referenzpotential R. Der Stromfluß durch die Spule L wird durch einen Transistor T (mit Widerstand R) gesteuert. Das Steuersignal S für den Transistor T stammt von einer Ansteuer­ schaltung C (sogenannter Controller). Wird der Transistor T angesteuert, also durchgeschaltet, so fließt Strom vom Betriebs­ potential U_B durch die Spule L zu dem Referenzpotential R, z. B. der sogenannten Masse. Am spulenseitigen Ausgang T_L des Aus­ gangstransistors T der Ansteuerschaltung C wird eine Spannung U gegen Masse abgegriffen und in einen Verstärker V gegeben. Das verstärkte Signal wird in eine Meß- und Auswerteschaltung M eingegeben.

Fig. 2 zeigt über einer gemeinsamen Zeitskala den Verlauf der am Punkt T_L gemessenen Spannung an der Spule L (es kann auch die Spannung direkt über der Spule abgegriffen werden) und wei­ tere interessierende Meßsignale.

Zum Zeitpunkt t₁ schaltet der Transistor T (Fig. 1) aufgrund eines Signals S durch, d. h. die Ansteuerspannung U_a (Fig. 2) des Ventils geht von 0 auf die Betriebsspannung U_B. Da das Ven­ til nicht getaktet betrieben wird, bleibt dieser Wert der An­ steuerspannung U_a während der gesamten Betriebsphase des Ven­ tils erhalten.

Aufgrund der Einschaltung von Spannung und Strom steigt die über die Spule L fließende, dem Strom I_S äquivalente Spannung U_S von 0 gemäß Fig. 2 (oberes Teilbild) steil an. Es ist be­ kannt, daß der Spannungsanstieg beim Einschalten des Ventils ein Minimum M_in aufweist aufgrund einer bei Betätigung des Ventilstößels auftretenden elektromagnetischen Induktion.

Erfindungsgemäß wird nun gleich zu Beginn beim Einschalten des Stromes durch die Spule L zum Zeitpunkt t₁ eine Messung durch­ geführt. Hierzu wird ermittelt, ob der Anstieg der Spannung U_S in einer vorgegebenen Zeitspanne t₁ bis t₂ innerhalb eines durch Soll-Werte liegenden Fensters liegt. Dabei wird die Zeit­ spanne t₁ bis t₂ so kurz gewählt, daß sie bereits vor der me­ chanischen Ventilbewegung abgeschlossen ist. Die Messung er­ folgt also rein elektrisch. Die Meß- und Auswerteschaltung M (Fig. 1) vergleicht den zum Zeitpunkt t₂ erreichten Spannungs­ wert U_S1 mit Soll-Werten. Fällt der gemessene Spannungswert U_S1 aus dem durch die Soll-Werte definierten Fenster, so zeigt dies einen Funktionsmangel des Ventils an. Auf diese Weise ist be­ reits zu Beginn einer Ventilbetätigung eine Erkennung von Kurz­ schlüssen und auch von Induktivitäts- und Widerstandsänderungen am Ventil möglich. Insbesondere Windungs-Kurzschlüsse in der Spule sind so erkennbar. Die Zeitspanne t₁ bis t₂ ist in Fig. 2 unten dargestellt und das zugehörige Meßsignal U_m1 deutet an, daß in der Meß- und Auswerteschaltung M für diese Zeitspanne die vorstehend beschriebene Überprüfung der erzielten Spulen­ spannung U_S1 und deren Vergleich mit Soll-Werten durchgeführt wird.

Zum Zeitpunkt t₃ etwa erreicht das Elektromagnetventil seinen mechanischen Schließzustand. Danach nähert sich die Spulenspan­ nung U_S einem Endpegel U_P (Fig. 2, oben). Für diesen Zustand des Ventils erfolgt erfindungsgemäß eine weitere Funktionsüber­ prüfung derart, daß ab dem Zeitpunkt t₃ (zugehöriges Meß- Steuersignal U_m2) geprüft wird, ob die Spulenspannung U_S in einem durch Grenzwerte U_S2, U_S3 vorgegebenen Fenster bleibt. Das Fenster ist in Fig. 2 mit dem Pfeil U_f angedeutet. Fällt die gemessene Spulespannung U_S aus dem Fenster U_f, so zeigt dies ebenfalls einen Funktionsfehler des Ventils an.

Mit der betriebenen Schaltung können Kurzschlüsse des Elektro­ magneten sowohl gegen die Betriebsspannung U_B und gegen die Masse leicht erkannt werden. Ebenfalls werden sofort Indukti­ vitäts- und Widerstandsänderungen im Elektromagnetventil er­ faßt. Das Fehlersignal wird bereit beim Ansteuern der Endstufe gewonnen.

Die beiden vorstehend beschriebenen Funktionsmessungen, nämlich die Messung des Anstiegsgradienten der Spulenspannung direkt nach dem Einschalten des Spulenstromes (Zeitspanne t₁ bis t₂) sowie die Messung des stationären Betriebszustandes des Ventils (Fenster U_f) können bevorzugt gemeinsam zur Überwachung der Funktion eines Elektromagnetventils eingesetzt werden.

Die Soll-Werte (Vergleichswerte für die Spulenspannung U_S) kön­ nen fest vorgegeben oder bevorzugt variabel eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Ventils und unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebsspannungen U_B. Auf diese Weise können die Fenster variabel gestaltet werden, um Einflüsse durch unterschiedliche Versorgungsspannungen oder unterschiedliche Temperaturen des Elektromagneten auszuglei­ chen. Die Soll-Werte (Fenster) können sehr klein gehalten wer­ den, um eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen.

Ein Kurzschluß der Spule des Magneten oder von deren Zuleitung hat zur Folge, daß die Spannung U_S über den Schwellenwert U_S3 ansteigt. Solange sich die Spannung U_S an der Spule nach dem Zeitpunkt t₃ im Fenster U_f befindet, liegt das Signal U_m2 mit erhöhtem Pegel an und zeigt, daß die Spule insoweit fehlerfrei funktioniert. Sobald das Spannungssignal U_S aus dem Fenster U_f fällt, fällt auch die Spannung U_m2 auf 0 ab, was einen Fehler anzeigt und worauf die Endstufe zum Schutz sofort abgeschaltet werden kann. Entsprechend können auch Unterbrechungen der Spu­ lenwickelung oder der Zuleitung festgestellt und ausgewertet werden. Ebenso können Widerstandsänderungen (Erhöhung durch Kontaktwiderstände oder Windungsschlüsse in der Spule) festge­ stellt und ausgewertet werden.

Die Messung gleich zu Beginn nach Einschalten der Endstufe (im Anschluß an den Zeitpunkt t₁) ermöglicht eine Abschätzung der Induktivität der Spule L und einen Vergleich mit zulässigen Toleranzwerten.

Die Fig. 3 und 4 erläutern die erfindungsgemäße Lösung der ein­ gangs gestellten Aufgabe für eine sogenannte getaktete Endstu­ fe. Getaktete Endstufen zur Steuerung von Elektromagnetventilen werden insbesondere bei ABS-Anlagen zunehmend eingesetzt, da sie die Verlustleistung beim Ansteuern der Ventile senken (ge­ ringere Wärmeentwicklung). Eine zusätzliche Verringerung der Verlustleistung wird durch sogenannte "peak and hold"-Schaltun­ gen erreicht, bei denen der Elektromagnet am Anfang einer Ven­ tilbetätigung einen relativ hohen Anfangsstrom erhält, um das Ventil zu einem schnellen Anziehen zu veranlassen, wonach dann ein relativ geringer Haltestrom getaktet in der Haltephase fließt.

In dem so erreichten stationären Haltezustand des Ventils mit getakteter Spannungsversorgung der Ventilspule weisen auch der durch die Spule fließende Strom I_sp sowie die an der Spule ab­ gegriffene Spannung U_sp einen getakteten Verlauf auf, d. h. bilden eine Impulsfolge, wobei der tiefer liegende Pegel der Impulsfolge nicht gegen 0 geht. Der Erfindung liegt die Erkennt­ nis zugrunde, daß das sogenannte Tastverhältnis (Puls-Pause-Ver­ hältnis) des durch die Spule des Magneten fließenden Stromes und/oder der am Ventil abgegriffenen Spannung eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der elektrischen Komponenten des Ventils ermöglicht.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild für eine Stromver­ sorgung eines getaktet betriebenen Elektromagnetventils. Die Spule des Ventils ist mit L bezeichnet. Eine Betriebsspannung U_B fließt durch die Spule L gegen Masse. Geschaltet wird die Betriebsspannung U_B mittels einer getakteten Endstufe E, die durch ein Spannungssignal U_St angesteuert wird, um das Ventil zu betätigen. Die getaktete Endstufe E ist als solches bekannt; sie erzeugt ein periodisches Takten der Versorgunsspannung an der Spule L. Beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltung handelt es sich um einen sogenannten "low side"- Treiber, d. h. die Treiberschaltung für die Spannungsversorgung der Spule L liegt an der entgegengesetzten Seite der Spule wie die Betriebsspannung U_B. Die Erfindung läßt sich auch auf so­ genannte "high side"-Treiber übertragen.

Die Meßanordnung gemäß Fig. 3 weist einen Amplitudenbegrenzer 10, einen Tiefpaß 12 und eine Vergleichsschaltung 14 auf. Die Vergleichsschaltung 14 gibt am Anschluß 16 ein Fehlersignal ab.

Fig. 4 zeigt über einer gemeinsamen Zeitachse die zeitlichen Verläufe der Steuerspannung U_St (siehe auch Fig. 3), des durch die Spule L fließenden Stromes I_{S ,} der über der getakteten Endstufe E abfallenden Spannung U_End und der am Punkt T_L abge­ leiteten Spulenspannung U_Sp.

Gemäß Fig. 4 wird das Steuersignal U_St zum Zeitpunkt t₁ einge­ schaltet. Der Strom I_S durch die Spule L steigt dann von 0 auf einen relativ hohen Wert an ("peak and hold") . Unterhalb des Spulenstromes I_Sp ist die Spannung U_End der getakteten Endstufe E über der Zeit aufgetragen. Sie bewirkt den gezeigten Verlauf des Spulenstromes I_Sp und des Spulenstromes U_Sp (Fig. 4). Nach Überschreiten eines Maximums bei t₂ erreichen Spulenstrom und Spulenspannung stationäre Haltewerte mit getaktetem (gepulstem) Betrieb. Beim Abschalten der Steuerspannung U_Sp zum Zeitpunkt t₄ tritt im Verlauf der Spannung U_End der Endstufe E ein Maxi­ mum X auf, das durch den Amplitudenbegrenzer 10 weggefiltert wird. Nach Passieren des Tiefpasses 12 wird dann das Spannungs­ signal U_Sp in der Meß- und Vergleichschaltung 14 ausgewertet. Hierzu wird das sogenannte Tastverhältnis der getakteten Spu­ lenspannung überwacht, d. h. das Verhältnis von Pulsdauer und Pausendauer. Liegt diese Verhältnis außerhalb vorgegebener Schwellenwerte, so zeigt dies einen Funktionsfehler des Ventils an.

Gemäß der in Fig. 4 gezeigten bevorzugten Ausgestaltung wird zur Überwachung des Tastverhältnisses ein Signal U_Sp erzeugt, das nach Amplitudenbegrenzung und Invertierung der Spannung gewonnen wird und den in Fig. 4 gezeigten Verlauf aufweist. Ein Meßfenster U_f wird durch Spannungs-Schwellenwerte U_F1 und U_F2 gebildet. Der Verlauf der Spannung U_Sp liegt zwischen den Schwellenwerten U_F1, U_F2 wenn die Stromversorgung des Ventils keinen Fehler aufweist.

Das anhand der Fig. 3 und 4 beschriebene Meßverfahren ermög­ licht die Erkennung folgender Fehler: (a) Kurzschluß der Spule oder deren Zuleitung bei eingeschalteter Endstufe; (b) Leerlauf der Endstufe, d. h. Unterbrechung der Spulenwicklung oder der Zuleitung; (c) unzulässiger Spulenwiderstand und unzulässige Induktivität der eingeschalteten Endstufe; und (d) Kurzschlüsse gegen die Versorgungsspannung U_B oder gegen Masse.

Claims (7)

1. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnet­ ventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemes­ sen wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten des eine Ventilbetätigung einleitenden Stromes durch die Spule (L) der Anstieg der Spannung und/oder des Stromes der Spule (L) in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und mit einem Soll-Wert (U_s1) verglichen wird.

2. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnet­ ventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemes­ sen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Zeitspanne (t₁-t₃) nach dem Einschalten des eine Ventilbetä­ tigung einleitenden Stromes Schwankungen der Spulenspannung (U_s) und/oder des Spulenstromes gemessen und mit vorgegebenen Soll-Werten (U_s2, U_s3) verglichen werden.

3. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnetventils mit einer Einrichtung zum Messen des Ver­ laufs der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit, gekennzeichnet durch einen Komparator (M) zum Vergleichen des beim Einschalten des eine Ventilbetätigung ein­ leitenden Stromes durch die Spule (L) in einer vorgegebenen Zeitspanne (t₁-t₂) erreichten Spannungs- und/oder Stromwertes mit einem Soll-Wert.

4. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnetventils mit einer Einrichtung zum Messen des Ver­ laufs der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrich­ tung (M) zum Vergleichen von Schwankungen der Spulenspannung und/oder des Spulenstromes mit vorgegebenen Soll-Werten (U_s2, U_s3) nach Erreichen eines Spannungs- bzw. Strompegels (U_p), der einer Betätigungsstellung des Ventils entspricht.

5. Verfahren zum Überwachen der Funktions eines mit einer getakteten Endstufe (E) gesteuerten Elektromagnetventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer Spule des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhält­ nis der getakteten Spannung bzw. des getakteten Stromes der Spule gemessen und mit einem Soll-Wert verglichen wird.

6. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines mit einer getakteten Endstufe (E) gesteuerten Elektromagnetventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer Spule des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Mes­ sen des Tastverhältnisses der getakteten Spannung bzw. des Stromes der Spule (L) und eine Vergleichsschaltung (14) zum Vergleichen des Tastverhältnisses mit einem Soll-Wert.

7. Verfahren bzw. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert in Abhängigkeit von der augenblicklichen Versorgungsspannung (U_b) und/oder der Temperatur des Ventils eingestellt wird.