DE4034081A1 - Stromregelschaltung fuer einen induktiven verbraucher - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Stromregelschaltung für einen induktiven Verbraucher, insbesondere einen elektrohydrau­ lischen Druckregler für ein Automatikgetriebe eines Kraft­ fahrzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Für viele Anwendungen ist es heutzutage erforderlich, den Strom durch einen induktiven Verbraucher sehr exakt zu regeln. Beispielsweise muß bei einer getakteten Steuerung einer Endstufe für einen elektrohydraulischen Druckregler eines Automatikgetriebes der arithmetische Strommittelwert sehr präzise geregelt werden, damit der erzeugte hydrauli­ sche Druck ebenfalls exakt eingestellt werden kann. Diese exakte Einstellung ist nicht zuletzt verantwortlich für den Schaltkomfort des Automatikgetriebes. Derartige präzise Regelungen des arithmetischen Strommittelwertes für induk­ tive Verbraucher sind auch auf anderen Gebieten wünschens­ wert und erforderlich, beispielsweise zur Steuerung von Ventilen bei der Fahrwerksregelung oder bei Antiblockier­ systemen in Kraftfahrzeugen.

Bei bekannten Stromregelschaltungen für diesen Zweck ist oft die Genauigkeit unzureichend oder aber der Schaltungs­ aufwand zu hoch, wobei üblicherweise ein externer Abgleich zur Einstellung der gewünschten Werte und zur Kompensation von Temperatureinflüsssen erforderlich ist. Neben dem Meßwiderstand wird eine Vielzahl weiterer Präzisionswider­ stände und Präzisionsbauteile benötigt. Dies verteuert die Stromregelschaltung und verhindert oder erschwert die Integration, so daß die bekannten Stromregelschaltungen üblicherweise entweder diskret oder hybrid aufgebaut sind. Der erforderliche Abgleich zur Erzielung einer ausreichen­ den Genauigkeit erhöht den Kostenaufwand.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Stromregelschaltung mit dem kennzeich­ nenden Merkmal des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß durch einen integrierbaren Aufwand ein kostengünstiges, kleinvolumiges Bauteil erzielbar ist, bei dem kein externer Abgleich mehr erforderlich ist. Die Präzision des extern anschließbaren Meßwiderstandes und die Präzision des analog aufbereiteten Sollwerts gibt die Präzision des geregelten arithmetischen Strommittelwerts vor. Es ist eine hohe Präzision über einen Temperaturbereich von -40°C bis +110°C auf einfache Weise erzielbar. Durch das varia­ ble Bezugspotential und den Abgriff des Spannungsabfalls direkt am Meßwiderstand können Einflüsse wie Temperatur­ einflüsse und Spannungsabfälle durch Zuleitungen ausge­ schaltet werden. Durch die Erfassung des Stroms im induk­ tiven Verbraucher durch direkten Abgriff des Spannungs­ abfalls am Meßwiderstand ist zwar ein erhöhter Aufwand erforderlich, da im wesentlichen alle aktiven Bauelemente mit dem variablen Bezugspotential beaufschlagt werden müssen, jedoch ist dieser Aufwand bei der Integration der Stromregelschaltung vernachlässigbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Stromregelschaltung möglich.

Die Endstufe ist zweckmäßigerweise als Gegentakt-Endstufe ausgebildet, wobei ein zweiter Schalttransistor in einem Freilaufkreis für den Verbraucher angeordnet ist. Durch Ausbildung der Schalttransistoren der Endstufe als MOSFETS kann auch die Endstufe mitintegriert werden.

Um eine getaktete Signalfolge zur Ansteuerung der Gegentakt- Endstufe zu erhalten, deren Tastverhältnis von der Regel­ abweichung abhängt, weist die Vergleichsstufe einen die Ausgangssignalfolge eines eine Dreieckspannung erzeugenden Oszillators mit einem von der Regelabweichung abhängigen Signals vergleichenden Komparator auf, wobei der Oszillator von der Hilfsspannungsquelle versorgt wird. Der Ausgang des Komparators ist dabei zweckmäßigerweise über eine mit einer Pegelumsetzung versehenen Treiberstufe mit der Endstufe verbunden, um eine Pegelanpassung zu erreichen. Der die Frequenz des Oszillators vorgebende Kondensator kann in vorteilhafter Weise außerhalb des integrierten Schaltkreises als externes Bauelement angeordnet sein, um die Oszillatorfrequenz frei einstellen zu können.

Um bei getaktetem Strom-Sollwert ein Regelabweichungs­ signal zur Ansteuerung des Komparators zu erhalten, weist die Vergleichsstufe einen Integrator zur Bildung der Regel­ abweichung auf, an dessen beiden Eingängen der Strom-Ist­ wert und der Strom-Sollwert anliegen. Der mit dem Strom- Sollwert beaufschlagte Eingang des Integrators ist dabei über einen Kondensator an das variable Bezugspotential gelegt. Zur Pegelanpassung des nicht mit dem variablen Bezugspotential gekoppelten Strom-Sollwerts, der als Signal­ folge mit veränderbarem Tastverhältnis vorliegt, ist diese Signalfolge über einen Pegelumsetzer dem Integrator zuge­ führt, wobei der Pegelumsetzer von der Hilfsspannungs­ quelle beaufschlagt ist.

Um von einem externen Steuergerät aus den Strom durch den induktiven Verbraucher feststellen zu können, sind die beiden Meßabgriffe des Meßwiderstandes an einen durch die Hilfsspannung versorgten Subtrahier-Verstärker ange­ schlossen, an dessen Ausgang ein extern abgreifbares Zustands­ signal gebildet wird.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit weist der Meßwiderstand zur Vierleitermessung separate Meßanschlüsse auf.

Eine einfache und zweckmäßige Ausgestaltung der Hilfs­ spannungsquelle besteht darin, daß diese einen am variablen Bezugspotential liegenden Kondensator aufweist, der über die Schaltstrecke eines Transistors von einer Versorgungs­ spannungsquelle gespeist wird, wobei zur Steuerung der Basis des Transistors eine von der Versorgungsspannungs­ quelle beaufschlagte, am variablen Bezugspotential liegende Z-Diode vorgesehen ist und wobei die Kondensatorspannung die Hilfsspannung ergibt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels der Stromregelschaltung, zum Teil auch als Blockbild dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Zwischen den positiven Pol einer Versorgungsspannungs­ quelle Ub und Masse ist die Reihenschaltung der Schalt­ strecke eines ersten Leistungstransistors 10 mit einem Strommeßwiderstand 11, einem induktiven Verbraucher 12 und der Schaltstrecke eines Abschaltrelais 13 geschaltet. Parallel zur Schaltstrecke des ersten Leistungstransistors 10, der mit einem Anschluß an Masse liegt, ist ein Konden­ sator 14 geschaltet. Die Reihenschaltung des Strommeß­ widerstands 11 mit dem induktiven Verbraucher 12 ist durch die Schaltstrecke eines zweiten Leistungstransistors 15 überbrückt. Die beiden Leistungstransistoren 10, 15 bilden eine Gegentakt-Endstufe 16 und sind jeweils als n-Kanal- MOSFETS ausgebildet, deren Schaltstrecken jeweils durch technologiebedingte Dioden 17, 18 überbrückt sind.

Das Abschaltrelais 13 kann von einer nicht dargestellten elektronischen Steuervorrichtung gesteuert werden und dient zur Notabschaltung bzw. zur Abschaltung beim Auf­ treten von Störungen. Der Strommeßwiderstand 11 ist als sogenannter Vierleiter-Meßwiderstand ausgebildet und weist separate Abgriffe 19, 20 für die Meßspannung auf, um Tempera­ tureinflüsse und Spannungsabfälle durch die stromführenden Leitungen auszuschließen.

Der Kondensator 14 dient als Schutz- und Pufferkondensator für die Übergangsphase bei der Gegentakt-Umschaltung der beiden Leistungstransistoren 10, 15. Bei integrierter Aus­ führung dieser Leistungstransistoren kann dieser Kondensator 14 auch entfallen. Weiterhin ist es prinzipiell möglich, auch andere Arten bekannter Leistungstransistoren für die Gegentakt-Endstufe 16 zu verwenden.

Der induktive Verbraucher 12, dessen durchfließender Strom exakt geregelt werden soll, ist beispielsweise Bestandteil eines elektrohydraulischen Druckreglers zur Regelung des hydraulischen Drucks in Automatikgetrieben. In anderer Ausführung kann dieser induktive Verbraucher 12 auch als Steuerventil für eine Fahrwerksregelung oder ein Anti­ blockiersystem für Kraftfahrzeuge ausgebildet sein. Ein Einsatz ist überall dort sinnvoll, wo eine sehr exakte Regelung des arithmetischen Strommittelwerts des durch­ fließenden Stroms erzielt werden soll.

Während der Abgriff 20 des Strommeßwiderstands 11 ein variables Bezugspotential 21 vorgibt, ist der Abgriff 19 über einen Widerstand 22 dem invertierenden Eingang eines Integrators 23 zugeführt, der als Operationsverstärker ausgebildet ist. Das über den Abgriff 19 zugeführte elek­ trische Signal ist der Strom-Istwert des durch den induk­ tiven Verbraucher 12 fließenden Stroms. Zur Beschaltung als Integrator 23 ist der Ausgang des entsprechenden Opera­ tionsverstärkers über einen Kondensator 24 zum invertieren­ den Eingang rückgekoppelt.

Ein an einem Eingang 25 anlegbarer Strom-Sollwert besteht aus einer Signalfolge mit entsprechend veränderbarem Tast­ verhältnis und ist eingangsseitig einem Pegelumsetzer 26 zugeführt. Dort steuert er den Stromfluß einer ersten, einseitig an Masse liegenden Stromquelle 27. Die Reihen­ schaltung einer zweiten Stromquelle 28 mit einer Diode 29 und einem Widerstand 30 ist zwischen den positiven Pol einer Hilfsspannungsquelle 31 und das variable Bezugs­ potential 21 gelegt. Die Hilfsspannungsquelle 31 erzeugt die Hilfsspannung Uh. Der Stromfluß durch die zweite Strom­ quelle 28 wird durch die erste Stromquelle 27 gesteuert. Parallel zum Widerstand 30 ist ein Kondensator 32 geschal­ tet, an dem ein vom digitalen Sollwert am Eingang 25 ab­ hängiger analoger Strom-Sollwert anliegt, der dem nicht invertierenden Eingang des Integrators 23 zugeführt ist.

Der Integrator 23 bewertet den Strom-1st- und Strom-Soll­ wert und liefert am Ausgang eine variable Gleichspannung, die ein Maß für die Regelabweichung darstellt. Der Ausgang des Integrators 23 ist über einen Widerstand 33 mit der Hilfs­ spannung Uh beaufschlagt und mit dem invertierenden Eingang eines ebenfalls als Operationsverstärker ausgebildeten Komparators 34 verbunden. Die als Dreieckspannung ausge­ bildete Ausgangsspannung eines freischwingenden Oszillators 35 ist dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 34 zugeführt, wo diese Dreieckspannung mit der der Regel­ abweichung entsprechenden Gleichspannung am Ausgang des Integrators 23 verglichen wird. Ein externer Kondensator 36 am Oszillator 35 dient zur Einstellung der Oszillator­ frequenz. Der Integrator 23 bildet zusammen mit dem Kompa­ rator 34 eine Vergleichsstufe.

Die am Ausgang des Komparators 34 erzeugte Signalfolge, deren Tastverhältnis in Abhängigkeit der Regelabweichung steht, steuert eine nur schematisch dargestellte Treiber­ stufe 37, die der Gegentakt-Endstufe 16 vorgeschaltet ist. Diese Treiberstufe 37 ist in üblicher Weise als Treiber­ stufe für eine Gegentakt-Endstufe ausgebildet und enthält im vorliegenden Falle noch die erforderliche Pegelumsetzung zur Anpassung der auf das variable Bezugspotential bezogenen Ausgangssignalfolge des Komparators 34 an die auf Masse bezogene Spannung der Endstufe 16. Die Pegelumsetzung kann beispielsweise gemäß dem Pegelumsetzer 26 erfolgen. Weiterhin weist die Treiberstufe 37 noch einen Sperreingang 38 auf, um die Treiberstufe 37 bzw. die Endstufe 16 durch ein Signal einer externen Steuervorrichtung sperren zu können. Ein derartiges Sperrsignal wirkt in üblicher Weise auf die Basis eines Transistors der Treiberstufe 37 ein, der die Sperrung bewirkt.

In der Hilfsspannungsquelle 31 ist die Reihenschaltung eines Widerstands 39 mit der Schaltstrecke eines Transistors 40 und einer Diode 41 einerseits an den positiven Pol der Versorgungsspannung Ub und andererseits über einen Kondensator 42 an das variable Bezugspotential 21 gelegt. Die Basis des Transistors 40 ist einerseits über einen Widerstand 43 an den positiven Pol der Versorgungsspannung Ub und andererseits über eine Z-Diode 44 an das variable Bezugspotential 21 gelegt.

Die Hilfsspannungsquelle 31 erzeugt eine konstante Ausgangs­ spannung Uh, bezogen auf das variable Bezugspotential. Ver­ ändert sich das variable Bezugspotential durch Umschalten des Leistungstransistors 10, so verändert sich der positive Pol der Hilfsspannung Uh entsprechend mit. Dies wird dadurch erreicht, daß der Transistor 40 bei Erhöhung des variablen Bezugpotentials, also bei Sperrung des Leistungstransistors 10, sperrt und der Kondensator 42 die Stromversorgung der Regelschaltung puffert. Im umgekehrten Falle leiten die Transistoren 10 und 40, so daß eine entsprechende Anpassung der absoluten Spannung am positiven Pol der Hilfsspannung bezüglich Masse erfolgt. Die Hilfsspannung Uh liegt am Kondensator 42 an bzw. kann an diesem abge­ griffen werden.

Die beiden Abgriffe 19, 20 des Strommeßwiderstands 11 sind über je einen Widerstand 45, 46 mit den beiden Eingängen eines als Operationsverstärker ausgebildeten Subtrahier- Verstärkers 47 verbunden. Der mit dem Widerstand 45 ver­ bundene nicht invertierende Eingang des Subtrahier-Ver­ stärkers 47 ist noch über einen Widerstand 48 an Masse angeschlossen. Zur Rückkopplung des Ausgangs auf den in­ vertierenden Eingang dient ein Widerstand 49. Die Ausgangs­ spannung des Subtrahier-Verstärkers 47 ist über einen Widerstand 50 an einen Ausgang 51 gelegt.

Durch den Subtrahier-Verstärker 47 wird ein vom Spannungs­ abfall am Strommeßwiderstand 11 und damit vom Strom durch den induktiven Verbraucher 12 abhängiges Signal gebildet, das von einer externen Steuervorrichtung am Ausgang 51 abgegriffen werden kann. Dies kann beispielsweise zur Überwachung des Stromflusses durch den induktiven Ver­ braucher 12 dienen und bei Überschreitung von Grenzwerten zur Abschaltung des Stroms über den Sperreingang 38 oder das Abschaltrelais 13 dienen.

Wesentlich an der dargestellten und beschriebenen Strom­ regelschaltung ist der Bezug fast aller vorkommender Span­ nungen auf das variable Bezugspotential am Strommeßwider­ stand 11, das absolut gesehen in Abhängigkeit des Schalt­ zustands des ersten Leistungstransistors 10 zwischen dem Massepotential und einem wesentlich höheren Potential wechselt. Die Hilfsspannungsquelle 31 erzeugt eine Hilfs­ spannung, die auf diesem variablen Bezugspotential aufge­ setzt ist und sich mit diesem verändert, wobei der absolute Wert der Hilfsspannung Uh konstant bleibt. Diese Hilfs­ spannung dient zur Spannungsversorgung der vorkommenden aktiven Bauelemente, das heißt der zweiten Stromquelle 28, des Integrators 23, des Komparators 34, des Oszillators 35 und des Subtrahier-Verstärkers 47. Weiterhin sind die Kondensatoren 32, 36 und 42 an dieses variable Bezugspoten­ tial gelegt, so daß ihre jeweiligen Spannungen ebenfalls auf diesem variablen. Bezugspotential basieren. Hierdurch werden Spannungsabfälle an Leitungen und anderenfalls erforderlichen Widerständen verhindert, die zur Verfälschung des Meßergebnisses und zur Abhängigkeit von Temperatur­ einflüssen führen könnten. Ein Abgleich derartiger Wider­ stände ist daher nicht mehr erforderlich.

Die beschriebene Stromregelschaltung einschließlich der Gegentakt-Endstufe 16 kann in einem einzigen integrierten Schaltkreis 52 realisiert werden, wobei dann lediglich die Kondensatoren 14, 24, 32, 36 und 42, der Strommeßwiderstand 11 und der induktive Verbraucher 12 als externe Beschaltung verbleiben. Die Ausgangstaktfrequenz des Oszillators 35 ist dabei durch den Kondensator 36 in weiten Grenzen frei wählbar. Über den Kondensator 32 kann die Regeldynamik variiert werden. Der Kondensator 14 kann - wie bereits ausgeführt - bei monolithischer Integration der beiden Leistungstransistoren 10 und 15 auch entfallen. Die gesamte Stromregelschaltung stellt einen geschlossenen Regelkreis dar, der prinzipiell auch durch spezielle Schaltungen anderer bekannter Regelkreise ersetzt werden kann, wobei jedoch als Kernpunkt der vorliegenden Erfindung verbleibt, daß die verschiedenen Spannungen und Spannungsversorgungen auf dem variablen Bezugspotential am Strommeßwiderstand 11 beruhen.

In einer alternativen Ausführung kann der induktive Ver­ braucher 12 beispielsweise auch an Masse liegen und über den Strommeßwiderstand 11 an einen Verknüpfungspunkt zwi­ schen den beiden Leistungstransistoren 10 und 15 ange­ schlossen sein.

Claims (12)

1. Stromregelschaltung für einen induktiven Verbraucher, insbesondere einen elektrohydraulischen Druckregler für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs, mit einer den Stromfluß durch den Verbraucher steuernden getakteten Endstufe und mit einem in Reihe zum Verbraucher geschalteten Meßwiderstand, dessen Spannungsabfall als Strom-Istwert zusammen mit einem Strom-Sollwert an eine Vergleichsstufe angelegt ist, durch deren getaktetes Ausgangssignal die Endstufe steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (11) zwischen dem Verbraucher (12) und einem ersten Schalttransistor (10) der Endstufe (16) angeordnet ist, und daß das Potential an einem (20) der Abgriffe (19, 20) des Meßwiderstands (11) als variables Bezugspoten­ tial für eine die Vergleichsstufe (23, 34) versorgende Hilfsspannungsquelle (31) vorgesehen ist, die Schaltmittel (40) zur Erzeugung einer relativ zum variablen Bezugs­ potential konstanten Hilfsspannung (Uh) aufweist.

2. Stromregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endstufe (16) als Gegentakt-Endstufe ausgebildet ist, wobei ein zweiter Schalttransistor (15) in einem Freilaufkreis für den Verbraucher (12) angeordnet ist.

3. Stromregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren (10, 15) der Endstufe (16) als MOSFETS ausgebildet sind.

4. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (23, 34) einen die Ausgangssignalfolge eines eine Dreieck­ spannung erzeugenden Oszillators (35) mit einem von der Regelabweichung abhängigen Signal vergleichenden Kompa­ rator (34) aufweist, wobei der Oszillator (35) von der Hilfsspannungsquelle (31) versorgt wird.

5. Stromregelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des Komparators (34) über eine mit einer Pegelumsetzung versehene Treiberstufe (37) mit der Endstufe (16) verbunden ist.

6. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (23, 34) einen Integrator (23) zur Bildung der Regelab­ weichung aufweist, an dessen beiden Eingängen der Strom- Istwert und der Strom-Sollwert anliegen.

7. Stromregelschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der als Signalfolge mit veränderbarem Tast­ verhältnis vorliegende Strom-Sollwert über einen Pegel­ umsetzer (26) dem Integrator (23) zugeführt ist, wobei der Pegelumsetzer (26) von der Hilfsspannungsquelle (31) beaufschlagt ist.

8. Stromregelschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Strom-Sollwert beaufschlag­ te Eingang des Integrators (23) über einen Kondensator (32) an das variable Bezugspotential gelegt ist.

9. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßabgriffe (19, 20) des Meßwiderstands (11) an einen durch die Hilfs­ spannung (Uh) versorgten Subtrahier-Verstärker (47) ange­ schlossen sind, an dessen Ausgang ein extern abgreifbares Zustandssignal gebildet wird.

10. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßder Meßwiderstand zur Vierleitermessung separate Meßanschlüsse (19, 20) auf­ weist.

11. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungs­ quelle (31) einen am variablen Bezugspotential liegenden Kondensator (42) aufweist, der über die Schaltstrecke eines Transistors (40) von einer Versorgungsspannungs­ quelle (Ub) gespeist wird, und daß zur Steuerung des Basis­ transistors (40) eine von der Versorgungsspannungsquelle beaufschlagte, am variablen Bezugspotential liegende Z- Diode (44) vorgesehen ist, wobei die Kondensatorspannung die Hilfsspannung (Uh) ist.

12. Stromregelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die Hilfsspannungsquelle (31), die Vergleichsstufe (23, 34), der Oszillator (35), die Pegelumsetzer (26), die Treiber­ stufe (37) und die Endstufe (16) mit Ausnahme im wesent­ lichen der Kondensatoren (24, 32, 36, 42) einen integrierten Schaltkreis (52) bilden.