DE4109233C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Ansteuerelektronik mit pulsweitenmoduliertem Ausgangssignal zum Ansteuern elektrischer Stellglieder eines hydraulischen Systems.

Bei derartigen Ansteuerelektroniken wird z. B. in bekannter Weise ein Soll- und Istwert einem Stromregler zugeführt, dessen Ausgangssignal das Stellglied in einer vom Sollwert bestimmten Stellung hält. Das digitale Ausgangssignal (Stellwert) des Stromreglers wird in ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) umgewandelt, dessen Tastverhältnis dem Ausgangs­ signalwert des Stromreglers proportional ist. Die Ansteuerelektronik kann aber auch als reine Strom-Steuerkette ausgebildet sein. Das PWM-Signal schaltet über einen elektronischen Schalter die Versorgungsspannung beispielsweise zur Spule eines Elektromagneten entsprechend dem Tastverhältnis mit konstanter Frequenz EIN und AUS. Der abwechselnd auftretende Erregerstrom und induzierte Strom wird als proportionale Spannung an einem Meßwiderstand abgegriffen und als Istwert (Strommittelwert) dem Stromregler zugeführt.

Diese bekannten PWM-Ansteuerelektroniken werden auf die Impedanz des anzusteuernden Stellgliedes so abgestimmt, daß die digitale Auf­ lösung des Stellwertes zu 100% auszunutzen ist. Wird mit dieser Ansteuerelektronik ein Stellglied mit beispielsweise niedrigerer Impedanz angesteuert, ist die digitale Auflösung des Stellwertes nicht mehr zu 100% zu erreichen. Ist, z. B., die Ansteuerelektronik für ein Stellglied mit einer Impedanz von 24 Ohm ausgelegt, kann bei einem Stellglied mit einer Impedanz von 12 Ohm der Stellwert nur zu 50% ausgenutzt werden, da in diesem Fall der doppelte Strom erreicht wird.

Nach der DE 39 12 604 C1 ist ein Verfahren zum Steuern und Regeln einer Brennkraftmaschine bekanntgeworden, bei welchem in Abhängigkeit von Betriebsgrößensignalen, wie z. B. der Drehzahl (n), der Gaspedalstellung, der Motortemperatur usw. in einer Recheneinrichtung ein digitales, binäres Ausgangssignal (b) errechnet, dieses errechnete Binärsignal in ein Ansteuersignal (s) umgewandelt wird, das aus Impulsen konstanter Höhe besteht, wobei die Gesamtdauer des Ansteuersignals innerhalb einer Taktperiode dem Wert des Binärsignals proportional ist und dieses Ansteuersignal zur Steuerung eines elektromechanischen Stellgliedes herangezogen wird. Hierbei wird das Ansteuersignal innerhalb jeder Taktperiode je nach dem Wert des Binärsignals (b) in Einzelimpulse aufgeteilt, deren Gesamtdauer dem Wert des Binärsignals (b) proportional ist und die Einzelimpulse im wesentlichen gleichmäßig innerhalb jeder Taktperiode verteilt werden. Mit diesem Verfahren soll an Stelle der üblichen Pulsbreitenmodulation eine Umwandlung des Ausgangssignals der Recheneinrichtung in ein Ansteuersignal für ein elektromechanisches Stellglied geschaffen werden, die bei gleichem Aufwand, insbesondere auch hinsichtlich der Filterung, wesentlich geringere relative Spannungsschwankungen des Analogsignals aufweist.

Ausgehend vom Stand der Technik nach DE 39 12 604 C1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerelektronik zu schaffen, die für unterschiedliche Impedanzwerte eine hohe Auflösung der elektrischen Stellwerte gewährleistet. Dies wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

Durch die Überlagerung des PWM-Signals (Stellsignal) mit einem vom Stellsignal unabhängigen PWM-Signal anderer Frequenz in einem UND-Glied wird das PWM-Stellsignal reduziert und damit die Möglichkeit geschaffen, auch elektrische Stellglieder mit kleineren Impedanzwerten mit einem gleich großen Stellsignal (100% Auflösung) des Reglers zu steuern.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau der erfindungsgemäßen digitalen Ansteuerelektronik und

Fig. 2 die zu überlagernden PWM-Signale.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Mikrocontroller bezeichnet, dem eine Endstufe 2 nachgeschaltet ist. Dem Mikrocontroller wird das Sollwertsignal Usoll als Analogsignal zugeführt und im integrierten Analog-Digitalwandler 10 in ein digitales Signal umgewandelt und dem proportional-integral wirkenden Stromregler 3 zugeführt. Von der aus einem elektronischen Schalter S, einem Proportionalmagneten M als Stellglied, einem Meßwiderstand R sowie einer Freilaufdiode D bestehenden Endstufe 2 erhält der Stromregler 3 den am Meßwiderstand R abgegriffenen Istwert Uist, der über einen Analog- Digitalwandler 11 in ein digitales Istwertsignal 22 gewandelt wird, zugeleitet. Das Spannungs-Istwertsignal Uist wird, bevor es dem Analog-Digital- Wandler zugeführt wird, geglättet, indem es über einen aus Widerstand R_T und Kondensator C_T gebildeten Tiefpaß geführt wird.

Das als Stellwert vorliegende digitale Ausgangssignal 12 des Stromreglers 3 wird in einem digitalen Pulsweitenmodulator 5 in ein PWM-Signal 13 umge­ wandelt und als das eine Eingangssignal einem UND-Glied 7 zugeführt. Das zweite Eingangssignal 14 des UND-Gliedes 7 ist das Ausgangssignal eines digitalen Pulsweitenmodulators 6. Der Wert des digitalen Eingangs­ signals 15 des Pulsweitenmodulators 6 wird von den Kenngrößen und/oder Betriebszuständen des angesteuerten als Proportionalmagnet M ausgebildeten Stellgliedes festgelegt.

Die Kenngrößen des Stellgliedes sind in einem Speicher 16 als digitale Werte abgespeichert und werden als Dividend einem Dividierer 9 zugeführt. Die Betriebszustände, wie Versorgungsspannung Uv werden über einen Analog-Digitalwandler 17 als Divisor dem Dividierer 9 zugeführt. Das daraus resultierende als Quotient vorliegende Ausgangs­ signal 15 bildet das Eingangssignal des digitalen Pulsweitenmodulators 6. Weitere Betriebszustände, wie Temperatur, werden in dem in einem unterlagerten Regelkreis angeordneten Regler 4 erfaßt und als dessen Ausgangssignal 18 dem Summierer 8 zugeführt und damit den vom Speicher 16 abgerufenen Kenngrößen aufaddiert. Das eine Eingangssignal 19 des Reglers 4 entspricht dem Stellsignal 12 und das andere Eingangssignal 20 entspricht dem digital vorliegenden Sollwertsignal Usoll. Der unterlagerte Regler 4 wirkt als Integralregler, dessen Nachstellzeit größer als die Nachstell­ zeit des Stromreglers 3 ist, so daß der Stellwert 12 des Stromreglers 3 vom Regler 4 eine Nachkorrektur erhält.

Der elektronische Schalter S der Endstufe 2 wird mit der Frequenz entsprechend dem Tastverhältnis des PWM-Ausgangssignals 21 des UND-Gliedes während der Impulsdauer geschlossen bzw. während der Impulspause geöffnet. Ist der elektronische Schalter S geschlossen, dann fließt ein Erreger­ strom von der Versorgungsspannung Uv über den Schalter S, die Spule des Magneten M und den Meßwiderstand R nach Masse. Ist der elektronische Schalter S geöffnet, dann fließt ein induzierter Strom weiter über die Spule des Magneten M, den Meßwiderstand R, die Masse, die Freilaufdiode D und zurück zur Magnetspule. Die am Meßwiderstand auftretende Spannung U ist ist eine dem Stromistwert I proportionale Größe. Die dem Stromistwert entsprechende Spannung U ist, die zur Glättung über den Tiefpaß (R_T, C_T) geführt ist, bildet den Mittelwert für die Stromregelung. In Fig. 2 ist das PWM-Signal des digitalen Pulsweitenmodulators 5 mit 13 bzw. 13′ das diesem zu überlagernde PWM-Signal des digitalen Pulsweitenmodulators 6 mit 14, die Impulsdauer des PWM-Signals 13 bzw. 13′ mit W1 bzw. W1′, die Impuls­ pause mit P1 bzw. P1′ und die Impulsdauer des PWM-Signals 14 mit W2 und dessen Impulspause mit P2 bezeichnet.

Bei einem elektrischen Stellglied beispielsweise Proportionalmagnet, auf dessen Impedanz die Ansteuerelektronik abgestimmt ist, d. h., der digitale Stellwertbereich des Reglers 3 wird zu 100% (beispielsweise 8 Bit) ausgenutzt, wird dessen maximaler Stellweg, für den der mittlere Stromwert I erforderlich ist, entsprechend 100% Sollwert­ eingabe (Usoll) bei einer Impulsdauer W1 von annähernd 100% und einer Impulspause P1 von annähernd 0% des PWM-Signal 13 erreicht. Wird nun mit dieser Ansteuerelektronik bei unveränderter Versorgungs­ spannung Uv ein elektrisches Stellglied verwendet, dessen Impedanz nur halb so groß ist wie die des Stellgliedes, für die die Ansteuer­ elektronik abgestimmt ist, wird dessen maximaler Stellweg und damit der hierfür erforderliche mittlere Stromwert I entsprechend 100% Sollwerteingabe bereits bei der halben Impulsdauer W1′ des PWM-Signals 13 erreicht. Damit wird aber auch der digitale Stellwert­ bereich des Reglers 3 nur zu 50% (7 Bit) ausgenutzt. Durch die Über­ lagerung im UND-Glied 7 (Fig. 1) des PWM-Signals 13 mit dem höher­ frequenten PWM-Signal 14, das eine Impulsdauer W2 von ca. 50% und eine Impulspause P2 von ca. 50% aufweist, ist zur Erzielung des maximalen Stellweges und damit des hierfür erforderlichen mittleren Stromwertes I wieder eine Impulsdauer W1 des PWM-Signals 13 von 100% erforderlich, so daß der digitale Stellwertbereich des Reglers 3 wieder zu 100% ausgenutzt wird.

Claims (5)

1. Digitale Ansteuerelektronik mit pulsweitenmoduliertem (PWM)- Ausgangssignal zum Ansteuern elektrischer Stellglieder, insbesondere elektrischer Magnete zur Betätigung hydraulischer Ventile zur Einstellung hydraulischer Kenngrößen (Druck, Strom), wobei dem PWM-Ausgangssignal (13) über ein UND-Glied (7) ein PWM-Signal (14) höherer PWM-Frequenz überlagert ist, dessen Pulsdauer von Kenngrößen und/oder Betriebszuständen des bzw. der von den PWM-Signalen angesteuertes Stellgliedes bzw. Stellglieder festgelegt ist.

2. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des überlagerten PWM-Signals (14) vom Impedanzwert des als Proportionalmagnet ausgebildeten Stellgliedes bestimmt ist.

3. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung (U_v) über einen A/D-Wandler (17) als Divisor einem Dividierer( 9) zugeführt wird und das daraus resultierende als Quotient vorliegende Ausgangssignal (15) das Eingangssignal eines digitalen Pulseitenmodulators (6) bildet, der das PWM- Signal (14) erzeugt.

4. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des PWM-Signals (14) zusätzlich so beeinflußt wird, daß 100% des PWM-Signals (13) in etwa dem Nennstrom des Proportionalmagneten entspricht.

5. Ansteuerelektronik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das überlagerte PWM-Signal (14) zusätzlich vom Ausgangssignal (18) eines unterlagerten, weitere Betriebszustände erfassenden Reglers (4) beeinflußbar ist.