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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen des mittleren Stromes in einer induktiven
Last, beispielsweise in der Erregerspule eines Magnetventils.
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Bei zahlreichen Steuerverfahren werden
bestimmte Parameter durch elektromagnetische Aktoren wie Magnetventile
geregelt. Man kann hierbei beispielhaft die Leerlaufregelung einer
Brennkraftmaschine nennen, bei der eine zusätzliche Luftmenge durch ein
Magnetventil zugemessen wird, das normalerweise von einer Feder
verschlossen wird und dessen Öffnungsgrad
durch einen in seiner Erregerspule fließenden veränderlichen Strom gesteuert
wird. Eine Vorrichtung dieser Art ist schematisch in 1 dargestellt, in der die
Wicklung des Magnetventils durch eine induktive Last 1 symbolisiert
ist, welche einerseits mit einer Versorgungsspannungsquelle Vb und
andererseits mit einem als Transistor dargestellten Schalter 3 verbunden
ist. Dieser Schalter wird an seinem Steuereingang 4 durch
ein periodisches Rechtecksignal mit fester Frequenz und veränderlichem
Tastverhältnis
gesteuert. Der der induktiven Last gegenüberliegende Anschluss des Schalters 3 liegt über einen
Widerstand 6 an Masse. Eine den Schalter und den Widerstand
verbindende Leitung 5 ermöglicht eine Messung des den
Schalter durchfließenden
Stroms mittels eines Analog/Digi-tal-Wandlers 7, der einen Teil
eines Mikroprozessors 8 bildet. Es versteht sich, dass
dieser Widerstand nur ein Beispiel zum Messen des Stromes ist; bestimmte
moderne Schalter weisen eigene integrierte Vorrichtungen zum Herbeiführen desselben
Ergebnisses auf. Wenn der Schalter den Stromfluss zur Masse unterbricht,
wird die in der induktiven Last gespeicherte Energie in Form eines
Stromes, der durch eine zur Last 1 parallel geschaltete
Diode 2 fließt,
unter einer vorgegebenen Spannung VD in
Abhängigkeit
von der Art der verwendeten Diode zurückgeführt. Um den Öffnungsgrad
des Ventils zu kennen und um ihn durch Einwirken auf das Steuertastverhältnis zu
steuern, ist es erforderlich, den in der induktiven Last fließenden mittleren
Strom zu kennen. Wenn es auch leicht ist, diesen Strom bei geschlossenem
Schalter zu messen, ist es nicht möglich, den Strom zu messen,
der über
die Diode 2 zurückfließt, wenn
die Schaltung durch Öffnendes
Schalters unterbrochen ist, umso mehr, als dieser Strom von zahlreichen
Parametern wie der Temperatur der Wicklung, die ihre Induktanz beeinflusst,
und dem Widerstand der Last 1 und somit der in ihr gespeicherten
Energie abhängt. Überdies
modifiziert bei einem elektromagnetischen Aktor das Steuertastverhältnis die
Konfiguration des Magnetkreises (Luftspalt) und somit die Induktanz
der Last.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise
der französischen
Patentanmeldung Nr. 2 696 253, ist ein Verfahren bekannt, bei dem
die Leitungsdauer des Schalters vergrößert wird, um zu ermöglichen,
dass der in der Last fließende
Strom den Sättigungsstrom
erreicht, und um hieraus den Ist-Widerstand abzuleiten. Ein solches
Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Erregungsdauer des Magnetventils
und somit sein Öffnungsgrad
modifiziert wird und einen fatalen Einfluss auf die Einhaltung eines
Leerlaufsollwertes des Motors haben kann.
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Es sind ferner, beispielsweise aus
der französischen
Patentanmeldung Nr. 2 639 680, Vorrichtungen bekannt, die den im
Zeitpunkt der Schaltungsunterbrechung erhaltenen maximalen Wert
des Stromes verwenden, um hieraus den mittleren Strom abzuleiten,
der in der Last fließt.
Dieser maximale Wert muss jedoch mittels analoger Vorrichtungen
wie einem Taster mit Halteglied gemessen werden, was zusätzliche
Kosten darstellt, und der Wert des mittleren Stromes unterliegt
erheblichen Fehlern aufgrund von Rauschen, das die Messung des Spitzenwertes
beeinträchtigt.
Außerdem
müssen
Schwankungen des Lastwiderstandes mit der Temperatur durch komplizierte
Verarbeitungsalgorithmen kompensiert werden.
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Die vorliegende Erfindung hat somit
zum Ziel, ein Verfahren zum Bestimmen des mittleren Stromes in einer
induktiven Last vorzuschlagen, das diese Nachteile nicht hat.
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Diese Ziele der Erfindung sowie weitere,
die aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, werden erreicht
mittels eines Verfahrens zum Bestimmen des mittleren Stromes in
einer induktiven Last, die zwischen eine eine Spannung Vb liefernde
Ver- sorgungsquelle und einen Schalter geschaltet ist, der in der
Lage ist, periodisch und mit einem vorgegebenen Steuertastverhältnis RCO
entweder eine Stromleitung zu einem Massepotential zu ermöglichen
oder zu unterbrechen, wobei eine Diode dazu dient, eine Rückführung der
in der Last gespeicherten Energie zum Potential Vb zu ermöglichen,
wobei das Verfahren eine Messung des in dem Schalter fließenden Stro mes
verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, der in dem Schalter fließt, zur
Bildung von Messwerten asynchron bezüglich des Steuertastverhältnisses
und mit einer kleineren Periode als diesem gemessen wird, die Messwerte,
deren Wert kleiner als eine vorgegebene Schwelle ist, eliminiert
werden, der Mittelwert der beibehaltenen Messwerte synchron zur
Unterbrechung der Stromleitung gebildet wird, um einen mittleren
Wert des Stromes, der im Schalter während seines leitenden Zustandes
fließt, zu
bilden, der Wert des in der Last fließenden mittleren Stroms ausgehend
von dem mittleren Wert des im Schalter fließenden Stroms, der Versorgungsspannung,
der Nenn-Induktanz und dem Nenn-Widerstand der induktiven Last,
dem Steuertastverhältnis
RCO und der Durchlassspannung der Diode berechnet wird.
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Gemäß einem wichtigen Merkmal der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der mittlere Wert des
im Schalter fließenden
Stromes in der Weise ermittelt wird, dass ein intermediärer Mittelwert
der beibehaltenen Messwerte während
der letzten Steuerperiode gebildet und durch einen gewichteten Mittelwert
dieses intermediären
Mittelwertes und des mittleren Wertes des im Schalter fließenden Stromes,
der in der vorhergehenden Steuerperiode erhalten wurde, gefiltert
wird.
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Gemäß einer Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wert des in
der Last fließenden
mittleren Stromes aus der folgenden Formel berechnet wird: IL_moy = Ion_moy – (Vb +
VD) × Tab(RCO)worin
Tab(RCO) ein einer Tabelle entnommener Wert ist, der in Abhängigkeit
von dem Steuertastverhältnis
definiert ist und während
eines vorausgehenden Schrittes des Verfahrens bestimmt wurde.
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Weitere Merkmale und Vorteile des
Verfahrens gemäß der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
hervor, in denen:
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1 die
in der Beschreibungseinleitung beschriebene Schaltung zum Steuern
der induktiven Last darstellt und
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2A einen
Zeitgraphen des in der Last fließenden Stromes darstellt, während 2 denjenigen des Stromes
darstellt, der an der Leitung 5 der Schaltung der 1 gemessen wird.
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Es wird nun auf die 2A Bezug genommen, in der der Strom IL dargestellt ist, welcher in der induktiven
Last 1 fließt,
wenn der Schalter 3 durch ein rechteckiges Steuersignal
mit fester Periode und veränderlichem
Tastverhältnis
RCO betätigt
wird. Das Tastverhältnis
RCO wird durch das Verhältnis
Ton/(Ton + Toff) ausgedrückt,
in dem Ton die Dauer ist, während
der der Schalter 3 leitend ist, Toff die Dauer ist, während der
der Schalter 3 nicht leitend ist, und die summe Ton + Toff
die Period des Steuersignals darstellt. Die Aufgabe, die die Erfindung
zu lösen
such, besteht darin, den mittleren Strom IL_moy in
der induktiven Last zu bestimmen. Wie sich in der 2B feststellen lässt, ist der Strom, der sich
mit einer Vorrichtung wie der der 1 messen
lässt, der
durch den Schalter 3 fließende Strom Ion,
welcher gleich dem Strom IL während der
Dauer Ton und Null während
Toff ist. Aus diesem Grund sind der Strom IL,
der in der Last während
der Dauer Toff fließt,
sowie sein mittlerer Wert, der durch die schraffierte Zone in der 2A dargestellt wird, nicht
direkt messbar.
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Gemäss der Erfindung werden mit
Hilfe von Messungen, die von dem Analog/Digital-Wandler ausgeführt werden,
aufeinander folgende Messwerte des Stromes Ion gewonnen. Diese Messwertgewinnung
erfolgt während
einer Dauer Tech, die kleiner als die Periode des Steuersignals
des Schalters 3 und asynchron zu diesem ist. In der Praxis
werden Messfrequenzen gewählt,
die drei- bis zehnmal größer als
die Frequenz des Steuersignals ist, wobei ganzzahlige Vielfache
vermieden werden, um die Gewinnung von Messwerten zu ermöglichen,
die nicht immer an derselben Stelle der Kurve des Stromes Ion liegen,
ein Vorteil, der in der folgenden Beschreibung genauer erläutert wird.
Beispielsweise wurde für
ein Steuersignal mit der Periode Ton + Toff gleich 6,25 Millisekunden
eine Messperiode von 1 Millisekunde gewählt. Ein solches Messverfahren
ist von Vorteil, denn moderne Mikroprozessoren ermöglichen
eine Verwirklichung dieser Funktion als Grundaufgabe, was es erlaubt,
die Möglichkeiten
des Mikroprozessors für
andere Aufgaben zu nutzen, wobei diese eine Synchronisation ihrer
Messwerte mit dem Steuersignal nicht erfordern, wie dies im Stand
der Technik der Fall ist, wenn man den Spitzenwert des Stroms bei
einem veränderlichen
Tastverhältnis
messen möchte.
In 2B wurden die Messwerte
e1 bis e5 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 festgehalten, die einer
Periode des Steuersignals entsprechen. Diese Messwerte werden, so
wie sie gewonnen werden, mit einer Schwelle Is nahe bei Null verglichen,
um die Messwerte zu eliminieren, die der Dauer Toff des Schalters
ent sprechen. Es versteht sich, dass diese Eliminierung auch auf
Kosten einer zusätzlichen
Synchronisation hätte
gewonnen werden können,
indem nur die während
der Dauer Ton erhaltenen Messwerte beibehalten werden. Im Zeitpunkt
t2, in dem die Stromleitung des Schalters 3 unterbrochen
wird, berechnet der Mikroprozessor 8 den Mittelwert der beibehaltenen
Messwerte (hier e3 bis e5), um einen intermediären Wert Im_per zu
erhalten, der den mittleren Wert des Stromes Ion während der
letzten Dauer der Stromleitung darstellt. Dieser intermediäre Wert
Im_per wird anschließend in einem Rekursivfilter
vom Typ mittlerer Gewichtung dazu verwendet, einen Wert Ion_moy Zu gewinnen, der den mittleren Wert
des Stromes Ion während des leitenden Zustandes
des Schalters 3 darstellt. Es lässt sich beispielsweise eine
Formel des folgenden Typs verwenden: Ion_moy(i) = (1 – k) × Ion_moy(i – 1) + k × Im_per worin k ein Gewichtungsfaktor zum
Regeln der Zeitkonstanten des Filters und i die betrachtete Period
des Steuersignals ist. Wie ersichtlich ermöglicht die Verwendung eines
intermediären
mittleren Wertes vorteilhafterweise eine Gewinnung des mittleren
Wertes Ion_moy des Stroms in jeder Periode,
und zwar unabhängig
vom Tastverhältnis.
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Man geht nun zur Berechnung des mittleren
Stromes I
L_moy über, der in der induktiven
Last
1 fließt. Wenn
auch das theoretische Studium der Schaltung der
1 es erlaubt, diesen mittleren Strom
unter idealen Bedingungen in Abhängigkeit
von den Parametern Vb (Versorgungsspannung der Schaltung), V
D (Durchlassspannung der Rückführdiode),
RCO (Steuertastverhältnis)
und in Abhängigkeit
von der Ist-Induktanz und dem Ist-Widerstand der Last zu berechnen,
stellt man jedoch fest, dass das Ergebnis dieser Berechnung von
der sich unter praktischen Bedingungen ergebenden Realität abweicht.
Im tatsächlichen
Fall sind insbesondere die Werte der Induktanz und des Widerstandes
der Last nicht genau bekannt, und zwar einerseits wegen der durch
Fertigungstoleranzen bedingten Abweichungen dieser Werte von den
Ursprungswerten und andererseits wegen ihrer Abhängigkeit von der Temperatur.
Außerdem
modifiziert das Steuertastverhältnis
bei einem elektromagnetischen Aktor die Konfiguration des Magnetkreises
(Luftspalt) und somit die Induktanz der Last. Der auf diese Weise
verursachte Fehler kann in vorteilhafter Weise durch Verwendung
des mittleren Stromes I
on_moy, der im Schalter
während
der leitenden Phasen fließt,
so wie er vorher erhalten wurde, kompensiert werden. Tatsächlich lassen
sich dadurch, dass bezüglich
der Steuerperiode des Schalters asynchrone Messungen des Stromes
I
on durchgeführt werden, Werte dieses Stromes
gewinnen, die die Änderungskurve
desselben beschreiben. Der auf diese Weise erhaltene mittlere Strom
berücksichtigt
somit die Form dieser Kurve, welche unmittelbar mit den Parametern
Ist-Widerstand und Ist-Induktanz
der Last verknüpft
sind. Es ließ sich
somit ausgehend von Berechnungen und Versuchen die folgende Formel
aufstellen, die es erlaubt, den mittleren Strom in der induktiven
Last zu erhalten:
worin R und L der Nenn-Widerstand
bzw. die Nenn-Induktanz der Last sind. Wie ohne weiteres ersichtlich,
ist eine derartige Formel in einem Rechner, wie sie in Kraftfahrzeugen
verwendet werden, schwierig zu integrieren, und hinsichtlich der
Rechnerzeit kostenintensiv. Es wird daher vorgeschlagen, sich die
Tatsache zunutze zu machen, dass die Werte von R und L Konstanten
sind, um bei dem Verfahren eine Wertetabelle in Abhängigkeit
von dem Steuertastverhältnis
Tab(RCO) zu bilden, eine Tabelle, die in herkömmlicher Weise durch Interpolation
ausgewertet wird. Die Verwendung einer derartigen Tabelle hat außer dem
Gewinn an Rechengeschwindigkeit den Vorteil, dass sich bestimmte
punktuelle Unzulänglichkeiten
des Algorithmus korrigieren lassen, beispielsweise für sehr kleine
Tastverhältnisse.
Der Art des in der induktiven Last
1 fließenden mittleren Stromes
wird dann durch die folgende Formel berechnet:
IL_moy = Ion_moy – (Vb +
VD) × Tab(RCO) -
Es wurde somit ein Verfahren zum
Bestimmen des mittleren Stromes in einer induktiven Last beschrieben,
das in der Lage ist, Schwankungen von Parametern der Last (Widerstand
und Induktanz) auszugleichen, ohne hierfür eine Modifikation der Steuerung
des Schalters oder zusätzliche
Schaltungen zur Formung des Stroms zu be nötigen, und das darüber hinaus
den Vorteil hat, robuster gegenüber
Rauschen und parasitären Erscheinungen
zu sein, die die Strommessungen beeinträchtigen könnten, und zwar aufgrund der
Verwendung des im Schalter fließenden
mittleren Stroms, der durch Messwertbildung, Mittelung und Filterung
des Ist-Wertes dieses Stroms gewonnen wird.
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Es versteht sich, dass die Erfindung
nicht auf die Verwendung eines derartigen Verfahrens in Verbindung
mit einem Zusatzluftventil für
die Leerlaufregelung von Brennkraftmaschinen beschränkt ist,
sondern vielmehr in allen Fällen
verwendet werden kann, in denen die Kenntnis des in einer induktiven
Last fließenden mittleren
Stromes von Nutzen sein kann. Die Erfindung ist durch die Patentansprüche beschränkt.