DE602004003900T2

DE602004003900T2 - Metode zur Phasenverschiebung der Betätigung von Elektromagnetischen Aktuatoren um eine Stromüberlastung zu vermeiden

Info

Publication number: DE602004003900T2
Application number: DE602004003900T
Authority: DE
Inventors: Paolo Strada Torino Santero; Alberto Strada Torino Manzone; Riccardo Strada Torino Groppo
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: JP2005260247A; ATE349603T1; JP2012029312A; EP1574678B1; JP4897227B2; US20050201036A1; ES2278294T3; US7349192B2; DE602004003900D1; EP1574678A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedienen einer Vorrichtung zum Steuern von elektrischen Aktoren mit optimaler Verteilung des Betätigungsstroms.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft, jedoch nicht ausschließlich, bei der Steuerung von Magnetventilen verwendet werden, die das Ansaugen und Ausstoßen eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors steuern, z.B. eines Motors, der ein VVA-(Variable Valve Actuation = variable Ventilbetätigung) Ventilsteuersystem aufweist, worauf speziell in der folgenden Veröffentlichung bloß als Beispiel Bezug genommen wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann tatsächlich auf andere Arten von elektrischen Aktoren, wie zum Beispiel Magnetventile von ABS-Vorrichtungen und ähnliches, elektronische Injektoren, usw. angewandt werden.
Insbesondere ist in dem WA-System eine Ölkammer, die mit einem elektrisch gesteuerten Hydraulikventil (Magnetventil) verbunden ist, zwischen den mechanischen Nocken und das Einlass- und das Auslassventil eingefügt. Wenn das Magnetventil geschlossen ist, folgt die Stellbewegung des Einlass- und des Auslass-Ventils der Bewegung des mechanischen Nockens; und, wenn das Magnetventil offen ist, leert der Nocken die Ölkammer teilweise und trennt damit den Antrieb des Einlass- und des Auslassventils von dem mechanischen Nocken. Durch geeignetes Steuern des Magnetventils ist es daher möglich, ein beliebiges Ventilhebeprofil innerhalb der maximalen Einhüllenden, das durch die Bewegung des mechanischen Nockens ermöglicht wird, und eine dynamische, genaue Steuerung der Luftmenge und der Verbrennungsgase im Innern des Brennraums zu erzielen.
Das europäische Patent EP 0 924 589 , das von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, betrifft eine Vorrichtung zum Steuern von elektrischen Aktoren, die insbesondere eine Anzahl von induktiven elektrischen Aktoren steuert, die zwischen dieselbe Versorgungsstromleitung und dieselbe Masseleitung durch jeweilige gesteuerte elektronische Schalter parallel geschaltet sind.
Insbesondere ist die Versorgungsstromleitung durch ein externes Kabel mit einer Spannungsquelle verbunden, z.B. der Fahrzeugbatterie (die üblicherweise 13.5 V liefert), und ist auch mit einer Kondensatorreihe verbunden.
In der obigen Steuervorrichtung wird das elektrische Aktor-Betätigungsstrom-Profil PWM (Pulse Width Modulation = Pulsbreitenmodulation) geregelt. Insbesondere ist der gesteuerte elektronische Schalter, der den jeweiligen elektrischen Aktor mit der Versorgungsstromleitung verbindet, PWM-gesteuert, wenn der Strom, der in dem elektrischen Aktor umläuft, bei einem vorbestimmten Ansprechwert gehalten werden soll.
Der durchschnittliche Strombedarf des elektrischen Aktors wird, grob dargestellt, direkt durch die Spannungsquelle – in dem beschriebenen Beispiel, durch die Fahrzeugbatterie – über die externe Leitung zugeführt, während der Rest des Stroms ("Brumm"-Strom) durch die Kondensatorreihe gemäß der Gleichung zugeführt wird:
wobei:

I_Crms der Effektivwert des Stroms ist, der in der Kondensatorreihe umläuft;
I_Lrms der Effektivwert des Stroms ist, der in dem elektrischen Aktor umläuft; und
I_Lmean der Durchschnittswert des Stroms ist, der in dem elektrischen Aktor umläuft.

Die elektrischen Aktoren können durch die Steuervorrichtung vollständig unabhängig aktiviert werden, so dass unter bestimmten Betriebsbedingungen die Aktivierung überlappen kann oder vollständig zeitlich überlagert werden kann.
In diesem Fall kann sich der Strombedarf der gleichzeitig aktivierten elektrischen Aktoren addieren, so dass sich eine beträchtliche Zunahme des Effektivstrom I_Crms, der für die Kondensatorreihe erforderlich ist, ergibt.
Da die Kondensatorreihe basierend auf dem in ihr umlaufenden Effektivstrom konzipiert ist, erfordert die Zunahme des Effektivstroms I_Crms daher die Verwendung großer kostenintensiver Kondensatoren.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung der elektrischen Aktoren bereitzustellen, das entwickelt wurde, um den oben genannten Nachteil zu beseitigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung bereitgestellt, die elektrische Aktoren steuert und ein Paar Eingangsanschlüsse, die bei Benutzung mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind; eine Anzahl von Paaren von Ausgangsanschlüssen, zwischen jeden von denen bei Benutzung ein jeweiliger elektrischer Aktor geschaltet ist; und gesteuerte Schaltmittel zum voneinander unabhängigen Verbinden der elektrischen Aktoren mit der elektrischen Energiequelle aufweist; wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns der gesteuerten Schaltmittel aufweist, um den elektrischen Aktoren mittels der elektrischen Energiequelle einen elektrischen Strom zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschritt die Schritte aufweist: Ermitteln der Möglichkeit eines nachfolgenden Betriebszustands, in dem bestimmte elektrische Aktoren von der elektrischen Energiequelle gleichzeitig mit elektrischem Strom versorgt werden; und zeitliches Verschieben der Phasen der elektrischen Ströme, die den bestimmten elektrischen Aktoren zugeführt werden, um den Effektivwert des elektrischen Stroms zu vermindern, der von der elektrischen Energiequelle bezogen wird.
Eine bevorzugte nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Schaltplan einer elektrischen Aktor-Steuervorrichtung zeigt;
Die 2a–2f Zeit-Schaubilder von elektrischen Größen zeigen, die sich auf die Steuervorrichtung in 1 beziehen;
3 ein Zeit-Schaubild des Durchschnittstroms zeigt, der in einem der elektrischen Aktoren der 1 umläuft;
4 ein Schaubild von elektrischen Größen zeigt, die sich auf die Schaltung in der 1 beziehen.
Wie in 1 gezeigt, weist die Steuervorrichtung, die als Ganzes durch 1 angezeigt ist, eine Anzahl von Steuerschaltungen 2, eine für jeden elektrischen Aktor 3, auf. Der Einfachheit halber zeigt 1 nur zwei Steuerschaltungen 2 bezogen auf zwei jeweilige elektrische Aktoren 3, von denen jede in der 1 durch eine entsprechende gleichwertige Schaltung gezeigt ist, die durch einen Widerstand und eine Induktivität definiert ist, die in Reihe geschaltet sind (zum Beispiel kann der Widerstand einen Wert von 270 mΩ und die Induktivität einen Wert von 1.4 mH aufweisen).
Jede Steuerschaltung 2 weist einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss 4, 5, der mit dem Plus-Pol bzw. mit dem Minus-Pol einer Spannungsquelle, z.B. einer Fahrzeugbatterie 6, die eine Spannung V_Batt mit einem Nennwert von typischerweise 13.5 V liefert, verbunden ist; und einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss 7, 8 auf, zwischen die der zugehörige elektrische Aktor 3 geschaltet ist. Der Minus-Pol der Batterie 6 ist mit einer Masseleitung 9 der Steuervorrichtung 1 verbunden, und ein Batteriekondensator 10 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss 4 und die Masseleitung 9 geschaltet. Der Anschluss jedes elektrischen Aktors 3, der mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 verbunden ist, wird üblicherweise als der "Highside"-(HS = Highside = obere Seite) Anschluss bezeichnet und der Anschluss jedes elektrischen Aktors, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss 8 verbunden ist, wird üblicherweise als der "Lowside"-(LS = Lowside = untere Seite) Anschluss bezeichnet.
Jede Steuerschaltung 2 weist auch einen ersten und zweiten MOS-Transistor 11, 12 auf. Der erste MOS-Transistor 11 weist einen Gate-Anschluss, der ein erstes Steuersignal T1 von einer Motorzentralsteuereinheit (nicht gezeigt) empfängt; einen Drain-Anschluss, der mit dem ersten Eingangsanschluss 4 verbunden ist; und einen Source-Anschluss auf, der mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 verbunden ist. Der zweite MOS-Transistor 12 weist einen Gate-Anschluss, der ein zweites Steuersignal T2 von der Motorzentralsteuereinheit empfängt; einen Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Ausgangsanschluss 8 verbunden ist; und einen Source-Anschluss auf, der mit der Masseleitung 9 mittels einer Detektionsstufe verbunden ist. Die Detektionsstufe ist durch einen Detektionswiderstand 13 definiert, dessen Anschlüsse mit den Eingängen eines Operationsverstärkers 14 verbunden sind, der eine Spannung erzeugt, die proportional zu dem Stromfluss in dem Detektionswiderstand 13 ist.
Der erste und der zweite MOS-Transistor 11 und 12 werden als "Highside"- bzw. "Lowside"-Transistor bezeichnet, da sie mit den Anschlüssen auf der oberen Seite bzw. den Anschlüssen auf der unteren Seite der jeweiligen elektrischen Aktoren 3 verbunden sind.
Jede Steuerschaltung 2 weist auch eine sogenannte "Freilaufdiode" 15 auf, deren Anode mit dem Eingangsanschluss 5 verbunden ist und deren Kathode mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 verbunden ist. Alternativ kann die Diode 15 durch einen dritten MOS-Transistor (nicht gezeigt) ersetzt werden, der als synchroner Stromrichter arbeitet.
Jede Steuerschaltung 2 weist drei Betriebsmodi auf, die durch ein unterschiedliches Muster des Stroms gekennzeichnet sind, der in dem elektrischen Aktor 3 umläuft: einen Lademodus, in dem der Strom bis zu einem vorgegebenen Haltewert anwächst; einen Haltemodus, in dem der Strom mit einem annähernden Sägezahnmuster um den Wert oszilliert, der in dem vorangehenden Schritt erreicht wurde; und einen Entlademodus, in dem der Strom von dem Wert, der in dem vorangehenden Schritt angenommen wurde, bis zu einem Endwert abnimmt, welcher sogar Null sein kann.
Bekanntermaßen kann durch Abwechseln und Wiederholen der obigen drei Modi jeder elektrische Aktor 3 mit Strom mit einem Zeitmuster versorgt werden, wie es in 3 gezeigt ist, und welches aufweist: einen ersten Anstiegsabschnitt A, der bis zu einem ersten Haltewert zunimmt; einen ersten Halteabschnitt B, in dem die Amplitude des Stroms um den ersten Haltewert oszilliert; einen zweiten Anstiegsabschnitt C, der bis zu einem zweiten Haltewert zunimmt; einen zweiten Haltewert D, bei dem eine Amplitude um den zweiten Haltewert oszilliert; einen ersten abfallenden Abschnitt E, der bis zu einem dritten Haltewert abfällt, der möglicherweise mit dem ersten Haltewert über einstimmt; einen dritten Halteabschnitt F mit einer Amplitude, die um den dritten Haltewert oszilliert; und einen zweiten abfallenden Abschnitt G, der auf einen Wert von ungefähr Null abnimmt. Der Einfachheit halber sind in 3 die Halteabschnitte als Streckenabschnitte gezeigt, die mit den jeweiligen Haltewerten übereinstimmen.
Insbesondere werden bei jedem Anstiegsabschnitt A und C der erste und der zweite MOS-Transistor 11 und 12 durch entsprechende Steuersignale T1 und T2 geschlossen gehalten, so dass die Batteriespannung V_BATT an die Anschlüsse des elektrischen Aktors 3 angelegt ist und der Strom in den Stromkreis fließt, der die Batterie 6, den ersten MOS-Transistor 11, den elektrischen Aktor 3, den zweiten MOS-Transistor 12 und den Detektionswiderstand 13 aufweist, und mit der Zeit exponentiell zunimmt. Bei diesem Schritt bezieht der elektrische Aktor 3 Energie von der Batterie 6.
Bei jedem Halteabschnitt B, D und F wird der zweite MOS-Transistor 12 durch das jeweilige Steuersignal T2 geschlossen gehalten, während der erste MOS-Transistor 11 wiederholt geschlossen und geöffnet wird, so dass die Batteriespannung V_BATT (wenn der erste MOS-Transistor 11 geschlossen ist) und eine Nullspannung (wenn der erste MOS-Transistor 11 geöffnet ist) abwechselnd an die Anschlüsse des elektrischen Aktors 3 angelegt werden.
In dem ersten Fall (erster MOS-Transistor 11 geschlossen) bezieht der elektrische Aktor 3 Energie aus der Batterie 6 und Strom fließt in den Stromkreis, der die Batterie 6, den ersten MOS-Transistor 11, den elektrischen Aktor 3, den zweiten MOS-Transistor 12 und den Detektionswiderstand 13 aufweist, und nimmt exponentiell mit der Zeit zu, aber auf eine Weise, welche im Wesentlichen ungefähr linear ist.
Umgekehrt gibt in dem zweiten Fall (erster MOS-Transistor 11 offen) der elektrische Aktor 3 Energie ab, und Strom fließt in den Stromkreis, der den elektrischen Aktor 3, den zweiten MOS-Transistor 12, den Detektionswiderstand 13 und die Freilaufdiode 15 aufweist, und nimmt exponentiell mit der Zeit ab, aber auf eine Weise, welche im Wesentlichen ungefähr linear ist.
Insbesondere wird bei den Halteabschnitten B, D, F der erste MOS-Transistor 11 durch das jeweilige Steuersignal T1 PWM-gesteuert, welches durch eine Folge von Impulsen mit einer vorbestimmten Periode T und ein Tastverhältnis D definiert ist, das über einen offenen oder einen geschlossenen Regelkreis durch die Motorzentralsteuereinheit (nicht gezeigt) geregelt wird, um den Strom in dem elektrischen Aktor 3 um den entsprechenden Haltewert herum zu halten.
Insbesondere wird in dem Fall der Steuerung mit offenem Regelkreis die Schließzeit des ersten MOS-Transistors 11 (PWM AN), d.h. das Tastverhältnis D des Steuersignals T1 vorab basierend auf den Schaltungsparametern und insbesondere basierend auf dem Wert der Batteriespannung V_BATT und des Verlustwiderstands R des elektrischen Aktors 3 gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
wobei I_L der Strom ist, der in dem elektrischen Aktor 3 umläuft.
Umgekehrt wird in dem Fall der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis der Wert des Stroms I_L, der in dem elektrischen Aktor 3 umläuft, mittels der Stromdetektionsstufe überwacht, die durch den Detektionswiderstand 13 und den Operationsverstärker 14 definiert ist, so dass die PWM-AN- und AUS-Phasen dementsprechend zeitlich geeignet abgestimmt werden.
Insbesondere kann die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis durch Steuern des Maximal- oder Minimalwertes des Stroms I_L, der in dem elektrischen Aktor 3 umläuft, durchgeführt werden.
In dem ersten Fall, d.h. beim Steuern des Maximalwerts des Stroms I_L wird der erste MOS-Transistor 11 zuerst durch das Steuerungssignal T1 auf die Ankunft eines Synchronsignals geschlossen (PWM AN), so dass der Strom I_L anzusteigen beginnt. Das Synchronsignal kann zum Beispiel ein internes Taktsignal CK der Motorzentralsteuereinheit mit einer geeigneten Periode sein, die gleich der Periode T des PWM-Steuersignals ist. Der Strom I_L wird dann mittels der Stromdetektionsstufe gemessen, und auf das Erreichen eines vorbestimmten Maximalwertes des Stroms I_L wird der erste MOS-Transistor 11 geöffnet (PWM AUS) und der Strom I_L beginnt abzunehmen. Nachfolgend wird auf die Ankunft des nächsten Synchronsignals der erste MOS-Transistor 11 wieder geschlossen (nächste PWM-AN-Phase) usw.
In dem zweiten Fall, d.h. bei dem Steuern des Minimalwerts des Stroms I_L, wird der erste MOS-Transistor 11 auf die Ankunft des Synchronsignals geöffnet (PWM AUS), so dass der Strom I_L in dem elektrischen Aktor 3 zu fallen beginnt. Auf das Erreichen eines vorbestimmten Minimalwerts des Stroms I_L wird der erste MOS-Transistor 11 geschlossen (PWM AN) und der Strom I_L beginnt zuzunehmen. Nachfolgend wird auf die Ankunft des nächsten Synchronsignals der erste MOS-Transistor 11 wieder geöffnet (PWM AUS) usw.
Bei dem abfallenden Abschnitt E wird der MOS-Transistor 11 ständig offen gehalten, während der zweite MOS-Transistor 12 geschlossen gehalten wird, so dass der Strom I_L in dem elektrischen Aktor 3 exponentiell abnimmt und der elektrische Aktor 3 einen Teil der Energie abgibt, die vorher aus der Batterie 6 bezogen wurde.
Schließlich werden bei dem abfallenden Abschnitt G der erste MOS-Transistor 11 und der zweite MOS-Transistor 12 ständig offen gehalten; der zweite MOS-Transistor 12 „bricht durch", so dass der Strom I_L in dem elektrischen Aktor 3 schnell und exponentiell abfällt und der elektrische Aktor 3 einen Teil der Energie wieder abgibt, die vorher aus der Batterie 6 bezogen wurde.
Die Dauer der Anstiegs- und der abfallenden Abschnitte kann durch die Motorzentralsteuereinheit mittels des Logiksignals ermittelt werden, das durch den Operationsverstärker 14 geliefert wird, der mit den Anschlüssen des Detektionswiderstandes 13 verbunden ist und den Wert des Stroms I_L anzeigt, der in dem elektrischen Aktor 3 fließt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden bei den Halteabschnitten B, D, F die Steuersignale T1, welche für das PWM-Steuern des Ein- und Ausschaltens der ersten MOS-Transistoren 11 der gleichzeitig belieferten elektrischen Aktoren 3 sorgen, bezüglich eines allgemeinen Synchron-Taktsignals CK geeignet phasenverschoben, so dass der Effektivstrom I_Crms, der in dem Batteriekondensator 10 umläuft, durch Beseitigen oder starkes Reduzieren des Zeitintervalls vermindert wird, in dem sich der Strombedarf von zwei oder mehreren gleichzeitig aktivierten elektrischen Aktoren 3 (während der jeweiligen PWM-AN-Phasen) addiert.
Dies ist eindeutiger in 2 gezeigt, welche sich auf die Steuervorrichtung 1 bezieht, die zwei elektrische Aktoren 3 gleichzeitig steuert, die nachstehend als erster und zweiter elektrischer Aktor 3 bezeichnet werden. Was hinsichtlich dieses bestimmten Falls gesagt wird, kann jedoch sicher auf eine Anzahl von n elektrischen Aktoren angewendet werden, die durch die Steuervorrichtung 1 gleichzeitig gesteuert werden, wie später ausführlicher erklärt wird.
Zuerst mit Bezug auf 2f wird das Taktsignal CK durch die Motorzentralsteuereinheit als Synchronsignal für das Steuern der elektrischen Aktoren 3 verwendet.
Nachdem auf bekannte Weise ermittelt wurde, dass der erste und zweite elektrische Aktor 3 gleichzeitig aktiviert werden sollen, mit dem Ergebnis, dass beide gleichzeitig Strom benötigen würden, sorgt die Motorzentralsteuereinheit für eine geeignete Phasenverschiebung der jeweiligen Steuersignale T1 bezüglich des Taktsignals CK.
Insbesondere wird das Steuersignal T1 (2a) des ersten elektrischen Aktors 3 mit dem Taktsignal CK synchronisiert, während das Steuersignal des zweiten elektrischen Aktors 3 – nachstehend als T1' (2b) bezeichnet – um eine halbe Periode (T/2) bezüglich des Taktsignals CK phasenverschoben wird, so dass die PWM-AN-Phase des Signals T1 bei der Vorderflanke des Taktsignals CK beginnt, während die PWM-AN-Phase des Signals T1' bei der abfallenden Flanke des Taktsignals CK beginnt.
In den 2c und 2d bezeichnen I_L und I_L' die Ströme, die in dem ersten elektrischen Aktor 3 bezogen auf das Steuersignal T1 umlaufen, bzw. in dem zweiten elektrischen Aktor 3 bezogen auf das Steuersignal T1' umlaufen. Wie zu sehen ist und vorher erläutert wurde, nehmen die Ströme I_L und I_L' bei der jeweiligen PWM-AN-Phase zu und fallen bei der nachfolgenden AUS-Phase ab, so dass sie ein Sägezahnmuster um den gewünschten Haltewert erzeugen.
Der Strom (als Versorgungsstrom bezeichnet), der in dem ersten und dem zweiten elektrischen Aktor 3 bei den PWM-AN-Phasen umläuft, wird durch die Batterie 6 und den Batteriekondensator 10 geliefert und wird in 2e mit I_S bezeichnet. Jede PWM-AN-Phase entspricht einem ungefähr trapezförmigen Versorgungsstromimpuls mit einer Dauer, die gleich der PWM-AN-Phase ist, und einer Amplitude, die gleich dem Strom I_L ist, der in den elektrischen Aktoren 3 umläuft.
Insbesondere addiert sich der Strombedarf der beiden elektrischen Aktoren 3 während der jeweiligen PWM-AN-Phasen.
Wie in 2 gezeigt, überlappen die PWM-AN-Phasen des ersten und des zweiten elektrischen Aktors 3 überhaupt nicht, wenn das PWM-Tastverhältnis DC kleiner als 50% ist, so dass sich die Ströme I_L und I_L', die in den elektrischen Aktoren 3 umlaufen, nicht addieren; oder sonst überlappen sie für die kürzest mögliche Zeitdauer, wenn das PWM-Tastverhältnis DC gerade über 50% ist, so dass die Ströme I_L und I_L', die in den elektrischen Aktoren 3 umlaufen, sich für eine minimale Zeitdauer addieren.
Wie zu sehen ist, ist durch geeignetes Phasenverschieben der Steuersignale T1 und T1' bezüglich des Taktsignals CK der Durchschnittswert des Versorgungsstroms I_S nahe dem Effektivwert des Versorgungsstroms I_S, wodurch der Wert des Effektivstroms I_Crms in dem Batteriekondensator 10 stark reduziert wird.
Insbesondere wird in dem in den 2a–2f gezeigten Beispiel mit zwei elektrischen Aktoren 3 mit den PWM-Steuersignalen T1 bzw. T1' mit einem Tastverhältnis D und einer 50%igen Phasenverschiebung (Gegenphase) der Effektivstrom I_Crms in dem Batteriekondensator 10 durch die folgende Gleichung ausgedrückt: ICrms = 12 IM ((1 – sign(D – 12 ))√2D|1 – 2D| + (1 – sign(12 – D))√|2D – 1||2 – 2D|)wobei I_M der Durchschnittswert des Stroms ist, der in einer Periode in einem elektrischen Aktor 3 umläuft.
Umgekehrt wird der Effektivstrom I_Crms in dem Batteriekondensator, wenn die PWM-Steuersignale T1 und T1' der zwei elektrischen Aktoren 3 eine Phasenverschiebung von Null aufweisen (in Phase), durch die folgende Gleichung ausgedrückt: ICrms = 2IM√D(1 – D)
Die obigen Gleichungen werden in dem Schaubild in der 4 gezeigt, welches klar den Vorteil der gegenphasigen Steuerung (Kurve I_Crms2 in 4) bezüglich der gleichphasigen Steuerung (I_Crms1 in 4) im Hinblick auf das Vermindern des Effektivstroms I_Crms in dem Batteriekondensator 10, längs einer Änderung des Tastverhältnisses D des PWM-Steuersignals zeigt.
Was oben gesagt wurde, wird ebenso gut auf n elektrische Aktoren 3 angewandt, die gleichzeitig durch die Steuervorrichtung 1 PWM-gesteuert werden; in diesem Fall werden die jeweiligen Steuersignale T1 der elektrischen Aktoren 3 durch die Motorzentralsteuereinheit um ein Zeitintervall T/n bezüglich des Taktsignals CK gegeneinander geeignet phasenverschoben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Taktsignal CK durch „Modulation mit Bandspreizung" geeignet frequenzmoduliert, um alle PWM's, die die elektrischen Aktoren steuern, Frequenz zu modulieren. Insbesondere wird die Frequenz des Taktsignals CK von einem geeignet ausgewählten Minimalwert bis zu einem geeignet ausgewählten Maximalwert in quantisierten Schritten linear moduliert.
Elektromagnetische Aussendungen (abgestrahlt und geleitet), die durch das Betreiben der elektrischen Aktoren verursacht werden, werden somit auf ein Frequenzband verteilt, dessen Amplitude von der Amplitude der Modulation abhängt. Das sich ergebende Aussendungsspektrum ist daher breiter aber niedriger im Wert, was die elektromagnetischen Aussendungen der Steuervorrichtung 1 im Vergleich zu einer konstanten Frequenz des Synchronsignals sehr verbessert.
Tatsächlich wird, wenn M die Anzahl der Quantisierungsintervalle zwischen dem minimalen und dem maximalen Taktsignalfrequenzwert ist, der Energiehöchstwert, der mit dem Nennwert der Frequenz des Taktsignals CK zusammenhängt, zwischen M Höchstwerten aufgeteilt, die den verschiedenen durch die Modulation erzeugten Frequenzwerten zugeordnet sind.
Insbesondere basiert die so genannte „Bandspreizungs" – Modulationstechnik – ursprünglich für militärische Zwecke verwendet, um gegenüber elektromagnetischer Störung sehr unempfindlich zu sein – auf dem Prinzip des Verteilens der Signalenergie über ein breites Band von Frequenzen, und insbesondere sorgt sie für das zweifache Modulieren der Signale: ein erstes Mal durch herkömmliche Modulation, z.B. PSK (Phasenumtastung), FSK (Frequenzumtastung), etc., und ein zweites Mal durch Breitbandmodulation, z.B. FH (Frequenzsprung), DS (Direktsequenz), oder FHDS (eine Mischung aus den ersten beiden).
Detailliertere Informationen über die „Bandspreizungs"-Technik können in dem „1996 wireless Communications Design Seminar Handbook" gefunden werden, das von Harris Semiconductors veröffentlicht wurde.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der vorangehenden Beschreibung deutlich.
Insbesondere sorgt das geeignete Phasenverschieben der Steuersignale der verschiedenen elektrischen Aktoren für das Vermindern des Effektivstroms, der in dem Batteriekondensator umläuft, welcher somit kleiner und billiger sein kann.
Darüber hinaus vermindert das Frequenzmodulieren des PWM-Synchronsignals elektromagnetische Aussendungen (abgestrahlt und geleitet) der Steuervorrichtung der elektrischen Aktoren beträchtlich.
Selbstverständlich können Änderungen an dem, was hierin beschrieben und dargestellt wurde, vorgenommen werden, ohne jedoch von dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Insbesondere ist zu betonen, dass das Konzept des geeigneten Phasenverschiebens der Ströme, die den gesteuerten elektrischen Aktoren gleichzeitig zugeführt werden, auch auf andere Steuerphasen als die Haltephase der elektrischen Aktoren angewendet werden kann. Insbesondere kann es auf alle Phasen, die mit einem gleichzeitigen Strombedarf von der Stromquelle durch eine Anzahl von elektrischen Aktoren einhergehen, angewandt werden.
Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung mit Bezug auf die PWM-Steuerung des auf der oberen Seite befindlichen Transistors der Steuerschaltung der elektrischen Aktoren beschrieben wurde, können darüber hinaus die gleichen Überlegungen auch auf die PWM-Steuerung des auf der unteren Seite befindlichen Transistors angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Bedienen einer Vorrichtung (1), die elektrische Aktoren (3) steuert, wobei die Vorrichtung (1) ein Paar von Eingangsanschlüssen (4, 5), die bei Benutzung mit einer elektrischen Energiequelle (6, 10) verbunden sind; eine Anzahl von Paaren von Ausgangsanschlüssen (7, 8), zwischen jeden von denen bei Benutzung ein jeweiliger elektrischer Aktor (3) geschaltet ist; und gesteuerte Schaltmittel (11, 12) zum Verbinden der elektrischen Aktoren (3) unabhängig voneinander mit der elektrischen Energiequelle (6, 10) aufweist; wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns der gesteuerten Schaltmittel (11, 12) aufweist, um den elektrischen Aktoren (3) mittels der elektrischen Energiequelle (6, 10) einen elektrischen Strom zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschritt die Schritte aufweist: – Ermitteln der Möglichkeit eines nachfolgenden Betriebszustands, in dem bestimmte elektrische Aktoren (3) mit elektrischem Strom von der elektrischen Energiequelle (6, 10) gleichzeitig versorgt werden; und – Zeitliches Verschieben der Phasen der elektrischen Ströme, die den bestimmten elektrischen Aktoren (3) zugeführt werden, um den Effektivwert des elektrischen Stroms, der von der elektrischen Energiequelle (6, 10) bezogen wird, zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Steuerschritt den Schritt des Belieferns der gesteuerten Schaltmittel (11, 12) bei vorgegebenen Betriebsbedingungen mit einem Steuersignal (T1, T2) aufweist, das eine Folge von Impulsen mit eine Perioder T aufweist; wobei jeder der Impulse einem Zeitintervall zugeordnet ist, in dem die elektrischen Aktoren (3) elektrischen Strom von der elektrischen Energiequelle (6, 10) beziehen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der elektrische Strom, der in den elektrischen Aktoren (3) bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen umläuft, ein Muster aufweist, das eine Folge von Anstiegsabschnitten des Stroms gefolgt von abfallenden Abschnitten aufweist; wobei die Folge ein Muster des Stroms definiert, der um einen gewünschten wert oszilliert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Phasenverschiebungsschritt den Schritt des Versorgens der gesteuerten Schaltmittel (11, 12), die den bestimmten elektrischen Aktoren (3) zugeordnet sind, mit jeweiligen Steuersignalen (T1, T2) aufweist, die bezüglich eines allgemeinen Synchronsignals (CK) unterschiedlich phasenverschoben sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal (T1, T2) Impulsbreiten-moduliert ist (PWM).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Synchronsignal (CK) die Periode T aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Steuersignale (T1, T2) um ein Zeitintervall von T/N zueinander phasenverschoben sind; wobei N die Zahl der bestimmten elektrischen Aktoren (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das auch den Schritt des Frequenzmodulierens des Synchronsignals (CK) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Frequenzmodulierens des Synchronsignals (CK) den Schritt des Bandspreizungs-Modulierens des Synchronsignals (CK) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, das den Schritt des Ermittelns der Dauer des Zeitintervalls mit einem offenen Regelkreis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, das den Schritt des Ermittelns der Dauer des Zeitintervalls mit einem geschlossenen Regelkreis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Ermittelns der Dauer des Zeitintervalls mit einem geschlossenen Regelkreis den Schritt des Steuerns des Maximalwerts des elektrischen Stroms aufweist, der in den elektrischen Aktoren (3) umläuft.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Ermittelns der Dauer des Zeitintervalls mit einem geschlossenen Regelkreis den Schritt des Steuerns des Minimalwerts des elektrischen Stroms aufweist, der in den elektrischen Aktoren (3) umläuft.
Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die elektrischen Ströme, die den spezifischen elektrischen Aktoren (3) zugeführt werden, zeitlich nicht überlappen.
Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die gesteuerten Schaltmittel (11, 12) zwischen einen Anschluss des Paars von Eingangsanschlüssen (4, 5) und einen entsprechenden Anschluss des Paars von Ausgangsanschlüssen (7, 8) geschaltet sind.
Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die elektrische Energiequelle eine Spannungsquelle (6) und Kondensatormittel (10) aufweist, die mit den Anschlüssen der Spannungsquelle (6) verbunden sind.