DE4209474B4

DE4209474B4 - Einrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE4209474B4
Application number: DE4209474A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Haag (FH); Klaus Dr. Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2012-03-25
Also published as: JP3353935B2; JPH0654591A; DE4209474A1

Abstract

Einrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers, mit einer Schaltungsanordnung (36) bestehend aus wenigstens vier ansteuerbaren Elementen (38–44), die mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (60) eine Vollbrückenschaltung bilden, mit Steuermitteln (12), die diese Elemente betätigen, wobei wenigstens eine Messeinrichtung (64) vorgesehen ist, die den durch den Verbraucher (60) fließenden Laststrom zur Steuerung des Verbrauchers (60) erfasst, wobei die Steuerung des Verbrauchers in einem vorgegebenen Zeitrahmen abläuft, der in wenigstens zwei Phasen aufgeteilt ist, wobei in einem Wertebereich, in dem der Laststrom betragsmäßig kleine Werte annimmt, in der ersten Phase, der Bestromungsphase, je nach Steuerrichtung zwei diagonal gegenüberliegende Schaltelemente (38, 44) der Brückenschaltung betätigt werden, in der zweiten Phase, der Freilaufphase, die beiden anderen diagonal gegenüberliegenden Elemente (42, 40) betätigt werden, wobei in Wertebereichen mit betragsmäßig größeren Werten des Laststroms in der ersten Phase, der Bestromungsphase, je nach Steuerrichtung zwei diagonal gegenüberliegender Elemente (38, 44; 40, 42), in der zweiten Phase,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers in einem Fahrzeug.

Eine derartige Einrichtung ist bereits aus der DE 37 18 309 A1 bekannt. Dort wird die Steuerung eines elektrischen Verbrauchers mittels einer Schaltungsanordnung, bestehend aus vier ansteuerbaren Elementen vorgeschlagen, welche mit dem elektrischen Verbraucher eine Brückenschaltung bilden. Ferner sind Steuermittel vorgesehen, welche die Elemente paarweise betätigen und den Verbraucher auf diese Weise steuern. Das dabei verwendete Betätigungssignal ist impulsförmig, wobei der Verbraucher während der aktiven Phase des Signals in steuerndem Sinne beeinflußt wird. Dadurch teilt sich die Betriebsphase der Schaltungsanordnung bzw. des Verbrauchers in wenigstens eine Bestromungsphase und eine sogenannte Freilaufphase auf. Während diesen Phasen werden die Elemente gemäß einem fest vorgegebenen Betätigungsmuster angesteuert. Die Bestromungsphase ist durch Betätigung zwei in der Brücke diagonal gegenüberliegenden Elementen, die Freilaufphase durch Betätigung zweier gegenüberliegenden Elementen gekennzeichnet.

Die oben skizzierte Schaltungsanordnung, eine sogenannte geschaltete H-Brücke, zeigt Vorteile bezüglich Energieeinsparung, Wirkungsgradverbesserung und Verlustwärmeerzeugung. Sie ist deswegen besonders geeignet zur Verstellung und Positionierung von Vorrichtungen in Fahrzeugen, wie z.B. Drosselklappen, welche von einem elektrischen Motor, insbesondere einem Schrittmotor, bewegt werden. Die über die H-Brücke zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußte Größen sind letztendlich die durch den Motor bzw. die Motorwicklungen fließenden Ströme. Durch deren Steuerung bzw. Regelung wird die Vorrichtung verstellt bzw. positioniert.

Problematisch stellt sich dabei, wie auch in anderen Anwendungsfällen, die Regelung bei betragsmäßig kleinen Größen dar.

Daher ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, welche die Steuerung des Verbrauchers auch bei betragsmäßig kleinen zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größen zufriedenstellend erlauben.

Aus der WO 89/07859 A1 sind Maßnahmen zur Feinpositionierung eines Schrittmotors im Bereich eines Schrittes mittels Regelung der durch die Wicklungen fließenden Ströme auf einen auf der Basis von Kennlinien abhängig von einer gewünschten Position des Motor gebildeten Sollwert bekannt.

Aus der „Industrial and Computer Peripherals ICs, Data Book 1st Edition, October 1988, SGS-Thomson Microelectronics, Seiten 443–454: L 6201 0.3 OHM DMOS Full Bridge Driver" ist eine Brückenschaltung bekannt, die gegenphasig durch Ansteuerung diagonal gegenüber liegender Schalter der Brückenschaltung betrieben werden kann. Dabei ist auch eine Ansteuerung der Brückenschaltung möglich, bei der in einer ersten Phase eine Ansteuerung diagonal gegenüberliegender Schalter und in einer zweiten Phase eine Ansteuerung gegenüberliegender Schalter möglich ist.

Die DE 4024160 A1 beschreibt das Problem einer exakten Steuerung im Bereich des Stromnulldurchgangs. Zur Lösung wird vorgeschlagen, diagonal gegenüberliegende Schalter gegenphasig zu takten. Bei großen Lastströmen werden nur noch die beiden diagonal gegenüberliegenden Schalter getaktet, während die jeweils in Reihe liegenden Schalter geöffnet bleiben. Die Steuerung bei großen Lastströmen ist also nicht optimal.

Die EP 126988 A1 zeigt die Steuerung einer Vollbrückenendstufe durch zusätzliche Steuertransistoren. Eine Freilaufphase bei hohen Strömen oder die Unterscheidung der Ansteuerung abhängig vom Stromwertebereich wird nicht gezeigt.

Die DE 3224242 A1 , die DE 2812292 C2 und die DE 3629186 A1 zeigen die Ansteuerungen von Schrittmotoren, ohne auf die obige Problematik einzugehen.

Die DE 3629186 A1 beschreibt sie Ansteuerung einer Vollbrückenendstufe mit Freilauf, zeigt jedoch keine Hinweise zur Lösung des obigen Problems.

Vorteile der Erfindung

Vorteilhaft ist, daß durch die Verwendung verschiedener Betätigungsmuster für die Elemente der Brückenschaltung ein stetiger Nulldurchgang der zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größe erreicht wird. Daraus ergibt sich unmittelbar eine gute Regelbarkeit und Linearität dieser Größe auch bei kleinen Werten.

Ein weiterer Vorteil ist, daß diese Vorgehensweise unabhängig von Bauelementetoleranzen und somit von Abgleichproblemen ist. Daraus ergibt sich unmittelbar ein sehr geringer schaltungstechnischer Aufwand.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt 1 ein Übersichtsblockschaltbild der Steuerungseinrichtung für wenigstens einen elektrischen Verbraucher. 2 stellt ein Blockschaltbild der Steuermittel zur Betätigung der Elemente dar, während in 3 Wertebereiche einer zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größe dargestellt sind. 4 und 5 zeigen Zeitdiagramme von ausgewählten Signalverläufen im Bereich der Steuerungseinrichtung.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist ein Blockschaltbild der Steuerungseinrichtung 10 dargestellt. Dabei ist mit 12 ein Rechenelement bezeichnet, welchem über die Eingangsleitungen 14 bis 16 von entsprechenden Meßeinrichtungen 18 bis 20 Meßgrößen aus dem Bereich des in 1 nicht dargestellten Fahrzeugs bzw. seiner Antriebseinheit zugeführt werden.
Das Rechenelement 12 ist über die Verbindung 22 mit Steuermitteln 24 verbunden, dem neben der Verbindung 22 eine Verbindung 26 zugeführt ist. Die Steuermittel 24 verfügen über wenigstens vier Ausgangsleitungen 28 bis 34, welche die Steuermittel 24 mit einer Schaltungsanordnung 36, einer H-Brückenschaltung, verbinden.
Die Schaltungsanordnung 36 umfaßt wenigstens vier betätigbare Elemente 38, 40, 42 und 44. Dabei ist die Ausgangsleitung 28 der Steuermittel 24 auf das Element 42, die Leitung 30 auf das Element 38, die Leitung 32 auf das Element 40 und die Leitung 34 auf das Element 44 geführt.
Vom positiven Pol 46 einer Versorgungsspannung führt eine Leitung 48 zum Element 38 und, parallel dazu, zum Element 42. Eine Leitung 50 verbindet die Elemente 38 und 40, während eine Leitung 52 die Elemente 42 und 44 miteinander verknüpft. Vom Element 44 führt eine Leitung 54 zum negativen Pol 56 der Versorgungsspannung, an die ebenfalls, parallel zum Element 44, das Element 40 angeschlossen ist. Zwischen den Leitungen 50 und 52 befindet sich die sogenannte Brückendiagonale.
Diese Brückendiagonale besteht aus einer Leitung 58, welche von der Leitung 50 zum elektrischen Verbraucher 60 geführt ist, der über eine Leitung 62 mit einer Meßeinrichtung 64 verknüpft ist. Die Meßein richtung 64 schließlich ist über eine Leitung 66 mit der Leitung 52 verbunden. Von der Leitung 62 führt eine Meßbleitung 68 zu einem Differenzverstärker 70, dessen zweiter Eingang durch die Leitung 72 beaufschlagt ist, welche den Differenzverstärker 70 mit der Leitung 52 verknüpft. Die Ausgangsleitung des Differenzverstärkers 70 ist die Leitung 26, welche den Differenzverstärker 70 mit den Steuermitteln 24 verbindet.
Die in 1 dargestellten, betätigbaren Elemente 38 bis 44 sind in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel als MOS-FETs ausgeführt. Dabei sind die steuerbaren Gates dieser Schaltelemente mit den Leitungen 28 bis 34 verknüpft. Nicht dargestellt, jedoch in für den Fachmann bekannter Weise vorhanden, sind Schaltungsmittel, welche zur Ansteuerung der Elemente 38 bis 44 dienen und/oder Meßgrößen aus dem Bereich der Schaltungsanordnung 36 zur Fehlerauswertung an das Rechenelement 12 zurückführen.
Beim Verbraucher 60 handelt es sich in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel um die Wicklung eines Schrittmotors, welcher mit einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Für die zweite, bzw. gegebenenfalls für die weiteren Wicklungen des Schrittmotors sind entsprechende Anordnungen (Steuermittel und Brückenschaltung) vorgesehen.
Verallgemeinernd läßt sich sagen, daß es sich bei dem Verbraucher 60 um ein induktives Element handelt, das durch die Elemente 38 bis 44 gesteuert wird. Steuergröße ist dabei vorzugsweise der durch den Verbraucher 60 fließende Strom oder eine mit diesem in Beziehung stehende Größe wie Spannungsgrößen im Bereich des Verbrauchers bzw. der Brückenschaltung oder die Zeitdauer des Ansteuerimpuls bei getakteter Ansteuerung der Elemente 38 bis 44. Im folgenden wird als Steuergröße vorrangig der Strom durch den Verbraucher beschrieben, ohne andere erfaßbare Größen auszugrenzen.
Bei der Meßeinrichtung 64 handelt es sich vorzugsweise um einen Meßwiderstand, welcher in die Verbindung zwischen dem Verbraucher 60 und der Leitung 52 eingefügt ist und der ein Maß des durch den Verbraucher fließenden Stroms erfaßt. In anderen Ausführungsbeispielen kann dieser Meßwiderstand in der Leitung 58, oder auch in der Leitung 54 oder der Leitung 48 in der Nähe der Versorgungsspannungspole angebracht sein. Besondere Vorteile haben sich jedoch im Zusammenhang mit der dargestellten Ausführungsform (bzw. der Anordnung in der Verbindung 58) ergeben, da hier ein unmittelbar den durch den Verbraucher fließenden Strom repräsentierendes Meßergebnis erhalten werden kann.
Das Rechenelement 12 bildet in Abhängigkeit der über die Eingangsleitungen 14 bis 16 von entsprechenden Meßeinrichtungen 18 bis 20 zugeführten Betriebsgrößen einen Sollwert für die zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußte Größe, vorzugsweise für den durch den Verbraucher 60 fließenden Strom.
Im Anwendungsbeispiel der Positionierung einer Drosselklappe in einem Kraftfahrzeug im Rahmen einer elektronischen Motorleistungssteuerung handelt es sich bei den Betriebsgrößen insbesondere um die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, sowie Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs wie Temperatur, Motordrehzahl, Drosselklappenstellung, Fahrgeschwindigkeit, Raddrehzahlen, Getriebezustand, etc.
Den aufgrund von Berechnungsvorschriften bzw. Kennlinien oder -feldern gebildeten Sollwert gibt das Rechenelement 12 über die Leitung 22 an die Steuermittel 24 ab. Dies geschieht vorzugsweise als analoger Spannungs- bzw. Strompegel. In anderen Ausführungsbeispielen könnte jedoch auch eine Übermittlung des Sollwertes in digitaler Form vorteilhaft sein. Im folgenden wird jedoch bei der weiteren Be schreibung von einem analogen Sollwert auf der Leitung 22 ausgegangen, ohne eine andere Realisierungsmöglichkeit auszugrenzen.
Die Steuermittel 24 stellen eine Ansteuerlogik für die Brückenschaltung 36 dar, die vorgegebene Muster für die paarweise Betätigung der Elemente der Brückenschaltung abhängig von dem über die Leitung 26 zugeführten Meßwert der zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größe realisiert.
Mit anderen Worten werden die Elemente jeweils paarweise betätigt, wobei die Auswahl, welche Elemente paarweise betätigt werden, abhängig gemacht ist vom Wert der über die Leitung 26 eingelesenen, von der Meßeinrichtung 64 erfaßten Größe.
Der elektrische Verbraucher 60 kann mittels der Brückenschaltung 36 in beiden Richtungen bestromt werden, das heißt durch Schließen der Schalter 38 und 44 fließt der Strom in die eine, durch Schließen der Schalter 42 und 40 in die andere Richtung. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Positionierung einer Drosselklappe wird die Drosselklappe durch die Bestromung in zwei Richtungen in Öffnungs- und in Schließrichtung bewegt. Ferner ist zu beachten, daß Drosselklappe bzw. Motor aus Sicherheitsgründen mit einem rückstellenden Element versehen ist, z.B. einer Feder, welches in Schließrichtung der Drosselklappe vorgespannt ist. Daher kann durch geeignete Bestromung des Motors bzw. der Wicklungen eines Schrittmotors Motor und Drosselklappe in einer bestimmten Position gehalten werden.
Aufgrund der rückstellenden Kraft wird die Brückenschaltung 36 im Stand der Technik derart gesteuert, daß eine zeitlich begrenzte Bestromungsphase entsteht, während der der Verbraucher mit Energie versorgt wird. Die Zeitdauer der Bestromungsphase wird dabei abhängig von der gewünschten Position vorgegeben. Außerhalb der Bestromungsphase wird die Brückenschaltung derart gesteuert, daß sich die im induktiven Verbraucher gespeicherte Energie abgebaut wird. Dies ist die sogenannte Freilaufphase.
Die Steuerung der Brückenschaltung im obigen Sinne erfolgt im Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, daß im Rahmen einer Regelung der zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größe durch die Steuermittel 24 die Dauer der Bestromungsphase abhängig von der Abweichung der Istgröße von der Sollgröße ermittelt wird. Dabei werden während der Dauer der Bestromungsphase, je nach gewünschter Bestromungsrichtung, diagonal gegenüberliegende Elemente (z.B. 38 und 44 bzw. 42 und 40) betätigt, während in der Freilaufphase, die aufgrund der fest vorgegebenen Periodendauer zur Dauer der Bestromungsphase in festem Zusammenhang steht, gegenüberliegende Elemente betätigt werden (38 und 42 oder 40 und 44). Dadurch ergibt sich ein fest vorgegebenes Betätigungsmuster.
Die beschriebene Ansteuerung der Brückenschaltung führt im Mittel zu einem durch den Verbraucher fließenden Strom, der letztendlich die eingestellte Position bestimmt.
Das Abklingen des Stromes in der Freilaufphase bei Abbau der im Verbraucher 60 gespeicherten Energie wird durch die Zeitkonstante des in der Freilaufphase geschlossenen Kreises bestimmt. Dies führt bei der bekannten Vorgehensweise im Bereich kleiner Steuergrößen, d.h. im Bereich kleiner durch den Verbraucher 60 fließenden Strömen, zu einem unbefriedigenden Steuerverhalten, da infolge des relativ langsamen Abklingens bei minimaler Dauer der Bestromungsphase der durch den Verbraucher fließende mittlere Strom betragsmäßig zu groß ist.
Die Steuerung des Verbrauchers im Bereich kleiner Ströme erfordert bei der obigen Vorgehensweise eine sehr kurze Bestromungsphase. Diese kann jedoch im Verhältnis zur festen Periodendauer aufgrund von Schaltzeiten nicht beliebig verkleinert werden. Bei der minimal möglichen Bestromungsphase (Einschaltdauer) klingt der Strom im Freilauf nicht genügend schnell ab, so daß betragsmäßig kleine Ströme nicht eingestellt werden können.
Daher ist vorgesehen, daß im Bereich kleiner Größen, d.h. kleiner Ströme, ein anderes Betätigungsmuster Anwendung findet. Dieses besteht darin, daß während einer ersten Phase diagonal gegenüberliegende Elemente (z.B. 38 und 44) betätigt werden, während in einer zweiten Phase das andere Paar diagonal gegenüberliegender Elemente (im Beispiel 42 und 40) betätigt werden. Es wird also in diesem Fall zwischen Vorwärts- und Rückwärtssteuerung umgeschaltet. Dadurch wird ermöglicht, einen betragsmäßig sehr kleinen mittleren Strom durch den Verbraucher einzustellen. Die Positionierung der Drosselklappe kann dann auch in diesem Betriebszustand exakt vorgenommen werden. Dabei schließt sich in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die zweite Phase direkt an die erste an und die Summe der Zeitdauer beider Phasen ergibt die fest eingestellte Periodendauer.
Beim Einsatz eines Schrittmotors, der vorzugsweise betrachtet wird, ist besonders vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße Vorgehensweise eine Positionierung des Motors in der Nähe einer Schrittposition im Rahmen einer Feinpositionierung zuläßt.
Abhängig von der gewünschten Position bildet das Rechenelement 12 Schrittimpulse entsprechend der gewünschten Position zur Ansteuerung des Schrittmotors. Diese werden in Stromsollwerte umgewandelt und über die Leitung 22 an die Steuermittel 24 übermittelt. Im Grobschrittbetrieb führt dies zu einer schrittweisen Bestromung der Wicklung, der eine entsprechende, nicht dargestellte phasenverschobene Bestromung der zweiten Motorwicklung gegenübersteht. Der Motor wird im Rahmen der konstruktiv bestimmten Schritte bewegt. Da die fließenden Ströme betragsmäßig groß sind, wird das oben diskutierte, bekannte Betätigungsmuster eingesetzt.
Zur Feinpositionierung im Bereich eines konstuktiv festgelegten Schrittes wird von der elektronischen Rechenelement 12 anhand von Stromkennlinien, welche die Abhängigkeit des durch die Schrittmotorwicklungen fließenden Stromes von der gewünschten Position innerhalb eines Schrittes beschreiben, über die Leitung 22 ebenfalls ein Stromsollwert abgegeben. Der Stromistwert wird von der Meßeinrichtung 64 über die Leitung 26 den Steuermitteln 24 zugeführt. Abhängig von den erfaßten Strömen durch den Verbraucher 60 werden einzelnen Strombereiche ausgewählt.
Die Steuermittel steuern dann über ihre Ausgangsleitungen 28 bis 34 entsprechend dem vorgegebenen Sollwert und unter Berücksichtigung der verschiedenen, vorstehend beschriebenen Betätigungsmuster die Brückenschaltung an. Die Zeitdauer der Bestromungsphase wird dabei im Rahmen einer Regelung des mittleren Stromistwerts auf den vorgegebenen Sollwert eingestellt.
Dadurch wird der Schrittmotor bzw. der mit diesem verbundenen Drosselklappe in die gewünschte Position geführt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden, wie in 3 dargestellt, drei Wertebereiche für den Strom unterschieden. Der maximal mögliche Strom durch den Verbraucher wird mit +I_max in der einen Steuerrichtung, mit –I_max in der anderen Steuerrichtung bezeichnet. 3 zeigt einen Bereich C, welcher um den Stromwert Null angeordnet ist und von den beiden Grenzwerten I₊ und I_– begrenzt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Grenzwerte in etwa 10% des Maximalbetrags der Ströme. Zwischen den Grenzwerten und den Maximalwerten liegen die Bereiche A für positive Ströme, der Bereich B für negative Ströme.
Entsprechend den oben dargestellten Betätigungsmustern werden in den Bereichen A bis C die Elemente 38 bis 44 der Brückenschaltung 36 angesteuert.
Anstelle des einen Grenzwerts für jede Stromrichtung können auch zwei Grenzwerte vorgesehen sein, so daß ein Hystereseverhalten entsteht. Ferner kann es vorteilhaft sein, den Bereich C nicht symmetrisch zum Stromnullpunkt vorzugeben.
In 4 sind beispielhaft Stromverläufe durch den Verbraucher in den Bereichen A (4a) und B (4b) dargestellt. Dabei ist waagrecht jeweils die Zeit aufgetragen, senkrecht die von der Meßeinrichtung 64 erfaßte Meßgröße (Strom/Spannung). Das von der Regelfunktion in den Steuermittel gebildete Ansteuersignal für die Brückenschaltung ist ein impulsförmiges Signal variabler Impulsbreite (Beispiel von 4: Impulsbreite T₀) und fester Periodendauer T. Dieses Signal bestimmt im wesentlichen zwei Ansteuerphasen (Zeitbereich bis T₀ und Zeitbereich zwischen T₀ und T, usw.).
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Verwendung von Ansteuersignalen fester Impulsbreite und variabler Periodendauer vorteilhaft sein.
In 4a ist der erfaßte Meßwert so groß, daß die Steuermittel 24 die Ansteuerung der Brückenschaltung gemäß dem für den Bereich A vorgesehenen Betätigungsmuster vornehmen. In der Bestromungsphase (Zeitraum bis T₀) sind demnach die Elemente 38 und 44 betätigt, in der Freilaufphase (Zeitraum T₀ bis T) die Elemente 38 und 42 oder 40 und 44. Der Stromverlauf ergibt sich dann wie in 4a dargestellt. während der Bestromungsphase steigt der Strom mit einer gewissen Zeitkonstante an, während der Freilaufphase fällt er mit einer gewissen Zeitkonstante ab. Dadurch entsteht ein mittlerer Strom (strichliert), der dem vorgegebenen Sollwert entspricht. Dies führt zur gewünschten Einstellung des Schrittmotors.
In analoger Weise ist in 4b der Stromverlauf für den Wertebereich B der erfaßten Größe dargestellt. In der Bestromungsphase werden die Elemente 42 und 40 betätigt, in der Freilaufphase die Elemente 38 und 42 oder 40 und 44. Der Strom steigt mit einer Zeitkonstante zu negativeren Stromwerten hin in der Bestromungsphase an, fällt zu positiveren Ströme hin in der Freilaufphase ab. Es ergibt sich ein mittlerer negativer Strom, das heißt ein Strom, der gegenüber den in 4a definierten positiven Strom in anderer Richtung durch den Verbraucher 60 fließt.
5 zeigt schließlich den Stromverlauf im Bereich C. Hier wird ein andere Betätigungsmuster ausgewählt, welches im wesentlichen zu zwei Bestromungsphasen pro Periodendauer führt.
Charakteristisch dabei ist, daß die Freilaufphase entfällt und eine Bestromungsphase in Rückwärtsrichtung sich unmittelbar an eine Bestromungsphase in Vorwärtsrichtung (oder unmgekehrt) anschließt. Die Dauer der ersten Bestromungsphase wird dabei durch die Länge der Impulsbreite des Ansteuersignals bestimmt.
5a zeigt einen Stromverlauf, der zu einem positiven mittleren Strom führt, 5b zeigt den Stromverlauf bei einem mittleren Strom 0, während 5c schließlich den Stromverlauf bei einem negativen mittleren Strom, das heißt einem mittleren Strom, der gegenüber dem in 5a dargestellten in anderer Richtung durch den Verbraucher fließt.
Das Betätigungsmuster ist derart vorgegeben, daß im Bereich bis T₀ die Elemente 38 und 44 betätigt sind, was beim gezeigten Ausführungsbeispiel zu einer Stromerhöhung durch den Verbraucher in der Richtung vom Element 38 zum Element 44 führt. Zum Zeitpunkt T₀ werden die Elemente 42 und 40 betätigt, die Elemente 38 und 44 abgeschaltet. Dadurch ergibt sich ein Stromverlauf vom Element 42 zum Element 40 durch den Verbraucher, was sich in 5 durch ein Absinken des Stromes zu negativen Stromwerten hin deutlich macht. Zum Zeitpunkt T, nach einer. Periode, werden wieder die Elemente 38 und 44 betätigt.
Im Zeitmittel stellt sich ein mittlerer Strom ein (strichliert), der dem von der elektronischen Rechenelement vorgegebene Sollwert entspricht und den Schrittmotor und damit die Drosselklappe entsprechend positioniert.
Werden als Elemente 38 bis 44 MOS-FET-Transistoren eingesetzt, so wird unter Betätigung immer das "Leitendschalten" der Transistoren, d.h. das Einschalten der Transistoren verstanden.
Die vorstehend beschriebenen Vorgänge werden in den Steuermittel 24 durchgeführt.
2 zeigt eine Ausführungsform des Steuermittels 24 als Blockschaltbild, welche sich in einem Ausführungsbeispiel als vorteilhaft erwiesen hat. Die bereits anhand von 1 bezeichneten und beschriebenen Elementen werden in 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehr näher erläutert.
Der über die Leitung 26 zugeführte Meßwert für den durch den Verbraucher fließenden Strom wird auf eine Vergleichsstelle 100 geführt. Dieser Vergleichstelle ist ebenfalls die Leitung 22 zugeführt, auf der vom Rechenelement 12 der Stromsollwert übermittelt wird. Eine Leitung 102 verknüpft die Vergleichstelle 100 mit einem Regler mit vorzugsweise Integralanteil 104. Dessen Ausgangsleitung 106 ist auf eine zweite Vergleichseinrichtung 108 geführt. Dieser wird die weitere Leitung 110 von einem Signalgenerator 112 zugeführt. Die Ausgangsleitung 114 der zweiten Vergleichstelle 108 ist auf einen Komparator 116 geführt. Dessen Ausgangsleitung 118 verknüpft den Romparator 116 mit einer Logikschaltung 120. Die Ausgangsleitungen der Logikschaltung 120 bilden die Ausgangsleitungen 28 bis 34 des Steuermittels 24.
Durch die vorstehend beschriebene Anordnung wird die Regelung der zur Steuerung des Verbrauchers beeinflußten Größe, vorzugsweise des durch den Verbraucher fließenden Stroms durchgeführt. Dabei wird in bekannter Weise durch Vergleich von Soll- und Istwert in der Vergleichsstelle 100 eine Regelabweichung gebildet, die über die Leitung 102 dem Regler 104 zugeführt wird. Dieser bildet ein Ausgangssignal entsprechend der Größe der Regelabweichung und gibt dies als Spannungspegel (positiver oder negativer Pegel je nach erforderlicher Stromrichtung) über die Leitung 106 an die zweite Vergleichsstelle 108 ab. Hier wird in Verbindung mit dem Komparator 116 das impulsförmige Ansteuersignal fester Periodendauer und variabler Impulsbreite gebildet. Die Periodendauer wird dabei vom Signalgenerator 112 fest vorgegeben, dessen Ausgangssignal einen dreieckförmigen bzw. sägezahnartigen Verlauf aufweist und mit dem festen Spannungspegel auf der Leitung 106 in der Vergleichstelle 108 verglichen wird. Unter- bzw. überschreitet die Spannung des auf der Leitung 110 vom Generator 112 zugeführten Signals den Spannungspegel der Leitung 106, so ändert das Ausgangssignal des Komparator 116 auf der Leitung 118 seinen Signalpegel. Je nach Größe des Spannungspegels als Ausgangssignal des Reglers 104 wird der Logikschaltung 120 ein impulsförmiges Signal mit variablem Tastverhältnis und fester Periodendauer geführt dessen Impulslänge ein Maß für die Regelabweichung und somit ein Maß für den zur Einstellung der gewünschten Position erforderlichen Strom enthält.
Die Logikschaltung 120 setzt dieses durch den Regler gebildete Ansteuersignal gemäß den vorgegebenen Betätigungsmustern für die entsprechenden Wertebereiche in Betätigungssignale um und gibt diese über die Ausgangsleitungen 28 bis 34 zur Brückenschaltung 36 ab. Neben der beschreibenen Regelung mit I-Regler kann die Regelung vorteilhaft auch bzw. nur über Proportional- und/oder Differentialanteile verfügen. Ferner könnnen auch andere Regelstrategien eingesetzt werden.
Die Frequenz des Signalgenerators ist dabei derart zu wählen, daß sie zumindest größer als die Frequenz der Schrittimpulse im Grobschrittbetrieb ist.
Die Auswahl der Betätigungsmuster erfolgt durch nachstehend beschriebene Anordnung. Von der Leitung 26 geht eine Leitung 122 zu einem Filter 124, vorzugsweise einem Tiefpaßfilter. Dessen Ausgangsleitung 126 ist auf eine Vergleichstelle 128 und eine weitere Vergleichstelle 130 geführt. Der Vergleichstelle 128 wird über die Leitung 132 von einem Speichermittel 134 der positive Bereichsgrenzwert I₊ zugeführt, während der Vergleichstelle 130 über die Leitung 136 von einem Speicherelement 138 der negative Begrenzungswert I_– zugeführt ist. Die Ausgangsleitung 140 der Vergleichstelle 128 führt auf einen Komparator 142 mit Hysterese, dessen Ausgangssignal 144 auf die Logikschaltung 120 führt. In vergleichbarer Weise führt die Ausgangsleitung 146 der Vergleichstelle 130 zu einem Komparator 148 mit Hysterese, dessen Ausgangsleitung 150 auf die Logikschaltung 120 führt.
Durch die Anordnung 128 bis 150 werden in der Logikschaltung 120 die Strombereiche A, B und C und damit das Betätigungsmuster ausgewählt. Unter- bzw. Überschreitet die gefilterte, erfaßte Größe einen der Grenzwerte (I₊, I_–), so ändert der jeweilige Komparator sein Ausgangssignal. Aus der Kombination der Ausgangssignale erkennt die Logikschaltung 120 den jeweiligen Signalbereich und wählt entsprechend ein Betätigungsmuster aus.
Die Logikschaltung 120 besteht dabei aus logischen Bauelementen, welche aus den über die Leitungen 118, 144 und 150 zugeführten logischen Signalpegel Ausgangsleitungen auswählt, die die Elemente der Brückenschaltung 36 entsprechend der vorstehenden Beschreibung betätigen.
Die Logikschaltung muß auf die jeweils verwendete Endstufe und deren erforderliche Ansteuersignale ausgelegt werden.
Im vorliegenden Fall konnte die Logik durch Verknüpfung von C-MOS NAND-Gatter realisiert werden.
Vorteilhaft ist eine Anwendung auch bei der Steuerung einer Dieseleinspritzpumpe unter Positionierung der Regelstange. Ferner läßt sich die beschriebene Vorgehensweise überall dort vorteilhaft anwenden, wo der Strom durch einen zumindest induktiven Verbraucher getaktet im Bereich kleiner Ströme gesteuert werden muß. Auch im Zusammenhang mit alternativen Antriebskonzepten, wie Elektromotoren, kann die vorstehend beschriebene Vorgehensweise vorteilhaft Anwendung finden.
Die in 2 dargestellten Strommittel können in analoger, digitaler oder hybrider Schaltungstechnik realisiert werden.

Claims

Einrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers, mit einer Schaltungsanordnung (36) bestehend aus wenigstens vier ansteuerbaren Elementen (38–44), die mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (60) eine Vollbrückenschaltung bilden, mit Steuermitteln (12), die diese Elemente betätigen, wobei wenigstens eine Messeinrichtung (64) vorgesehen ist, die den durch den Verbraucher (60) fließenden Laststrom zur Steuerung des Verbrauchers (60) erfasst, wobei die Steuerung des Verbrauchers in einem vorgegebenen Zeitrahmen abläuft, der in wenigstens zwei Phasen aufgeteilt ist, wobei in einem Wertebereich, in dem der Laststrom betragsmäßig kleine Werte annimmt, in der ersten Phase, der Bestromungsphase, je nach Steuerrichtung zwei diagonal gegenüberliegende Schaltelemente (38, 44) der Brückenschaltung betätigt werden, in der zweiten Phase, der Freilaufphase, die beiden anderen diagonal gegenüberliegenden Elemente (42, 40) betätigt werden, wobei in Wertebereichen mit betragsmäßig größeren Werten des Laststroms in der ersten Phase, der Bestromungsphase, je nach Steuerrichtung zwei diagonal gegenüberliegender Elemente (38, 44; 40, 42), in der zweiten Phase, der Freilaufphase, zwei gegenüberliegende Elemente (40, 44; 38, 42) betätigt werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher eine Wicklung eines Schrittmotors ist, welcher vorzugsweise im Rahmen einer elektronischen Motorleistungssteuerung für Brennkraftmaschinen zur Verstellung und Positionierung eines leistungsbestimmenden Elements eingesetzt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel aus erfassten Betriebsgrößen einem einer gewünschten Position entsprechenden Sollwert für die Größe ermittelt, welcher durch einen Regelkreis im Sinne einer Regelung des Ist- auf den Sollwert eingestellt wird, wobei ein impulsförmiges Ansteuersignal variabler Impulsbreite und fester Periodendauer erzeugt wird.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der den Strom durch den Verbraucher repräsentierenden Größe durch einen in der Brückendiagonale angeordneten Messwiderstand erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des Sollwerts derart erfolgt, dass sowohl ein Grobschrittbetrieb als auch eine Feineinstellung des Schrittmotors erreicht wird.