EP1921639A2 - Ansteuerschaltung für einen Aktor und Verfahren zum Ansteueren eines Aktors - Google Patents

Ansteuerschaltung für einen Aktor und Verfahren zum Ansteueren eines Aktors Download PDF

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EP1921639A2
EP1921639A2 EP07021597A EP07021597A EP1921639A2 EP 1921639 A2 EP1921639 A2 EP 1921639A2 EP 07021597 A EP07021597 A EP 07021597A EP 07021597 A EP07021597 A EP 07021597A EP 1921639 A2 EP1921639 A2 EP 1921639A2
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EP
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actuator
drive signals
control
charging
energy store
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EP07021597A
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Franz A. Bierbrauer
Christian Götze
Roland Klein
Gerd Truckenbrodt
Hubert Keller
Manfred Schlierf
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Actor Engineering & Co KG GmbH
Original Assignee
Actor Engineering & Co KG GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1816—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current making use of an energy accumulator

Definitions

  • the invention relates to a drive circuit for an actuator and a method for driving an actuator.
  • an actuator such as the ignition mechanism for an airbag or locks for headrests, hoods, fuel tank lid, trunk lid, doors and the like, only small electrical currents available.
  • the actuators are triggered via control signals from a control unit.
  • the output power of the output stage of such control units is not sufficient for the control of an actuator, which is to operate with a comparatively large electrical power.
  • a first control unit outputs a control pulse for triggering the actuator and a second control unit operates essentially as a power stage and ensures that sufficient electrical energy is present at the actuator via a second electrical line in order to reliably trigger it.
  • a drive circuit for an actuator and a method for driving an actuator to be provided, which can ensure reliable triggering of the actuator with reduced structural complexity.
  • a drive circuit for an actuator with a control device is provided with means for generating drive signals, at least one energy storage and a charging unit, wherein the charging unit has means to charge by means of the drive signals the at least one energy storage.
  • the invention is therefore based on providing an additional energy store, for example a capacitor, and charging this energy store by means of the drive signals from the controller or to obtain its charge.
  • an additional energy store for example a capacitor
  • various options can be provided to decide whether the drive signal of the control unit is to be used to charge the energy storage or to be used to trigger the actuator.
  • the control unit only has to output repeated drive signals which need not be different from each other.
  • a first type of drive signal has a low signal voltage level that is insufficient to trip the actuator.
  • this low signal level can be used to charge the energy storage.
  • a triggering of the actuator is then effected by means of a second, different drive signal having a higher signal voltage level.
  • different signal levels for example, different signal frequencies can be used.
  • Such evaluation can receive the received drive signals and decide depending on the type of drive signals received, whether they should serve to charge the energy storage or are provided for triggering the actuator.
  • the control unit outputs diagnostic pulses for diagnosing the system, especially the actuator, and outputs various control pulses for triggering the actuator.
  • the diagnostic pulses and the control pulses differ in the signal voltage level.
  • the diagnostic pulses for diagnosing the actuator are used to charge an energy store, such as a capacitor, in the region of the actuator.
  • the diagnostic pulses are voltage or current pulses that are in a so-called "no-fire" region of the actuator, so represent a current or voltage pulse that is not large enough to trigger the system, so the actuator.
  • a loading electronics of the actuator can distinguish between diagnostic pulses and control pulses. By example, cyclic diagnostic pulses of energy storage is charged or its charge is obtained.
  • the first or the first diagnostic pulses can be extended or carried out at a shorter interval or at a higher repetition rate. After charging the energy storage, the subsequent diagnostic pulses can then be shorter or follow each other in a longer interval and then serve only to maintain charge.
  • the charging electronics or evaluation electronics can increase the diagnostic voltage of the diagnostic pulses by a voltage multiplier and store them in the energy store. As a result, the capacity of the energy storage is better utilized. Then there is a control pulse to trigger the actuator, the energy of this control pulse from the controller and the energy of the energy storage is used together to trigger the actuator.
  • FIGURE is a schematic representation of a drive circuit according to the invention.
  • the single figure shows a schematic representation of a drive circuit 10 for an airbag.
  • Airbags are ignited, for example, by means of a squib, which develops after activation pressure gases or opens a compressed air cylinder, which then inflates the airbag.
  • Significant electrical energy is needed to activate such a squib, and the squib is part of an actuator 12 that also has suitable means to convert electrical energy, for example, into thermal energy to ignite the squib.
  • a control unit 14 is provided for triggering the actuator 12 and has, for example, a crash sensor.
  • the control unit 14 is connected to an output stage 16, in which the output signals of the control unit are formed.
  • the control unit 14 can output in conjunction with the output stage 16 two different types of output signals, namely on the one hand a control pulse 18 for triggering the actuator and diagnostic pulses 20.
  • the control pulse 18 has a voltage level U 1 and the diagnostic pulses have a voltage pulse U 2 , where U 2 is less than U 1 .
  • the diagnostic pulses 20 are initially used during operation to check the presence and the functionality of the actuator 12.
  • the actuator 12 is also integrated into a charging and control circuit 22, which has an intelligent charging and evaluation electronics 24, a transistor 26 and a capacitor 28.
  • the charging and evaluation electronics 24 can distinguish between the diagnostic pulses 20 and the control pulse 18.
  • the charging and evaluation electronics 24 for this purpose includes a voltage multiplier, which increases the voltage level U 2 of the diagnostic pulses, so that the capacitor 28 is applied a higher voltage than the voltage level U 2 .
  • the capacitor 28 is located in the immediate vicinity of the actuator 12 in order to keep line losses as low as possible.
  • the control unit 14 for example, after its commissioning send out numerous diagnostic pulses 20 in a short sequence. After the capacitor 28 has a predefined energy content, the sequence of the diagnostic pulses 20 can then be reduced to compensate for any loss of charge on the capacitor 28.
  • the control unit 14 If the crash sensor detects a vehicle collision in the control unit 14, then the control unit 14 outputs the control pulse 18 as a control signal.
  • the charging and evaluation electronics 24 detects the presence of a control pulse and switches it to the transistor 26 on.
  • the transistor 26 is thereby conductive, so that the stored energy in the capacitor 28 via the actuator 12 and the transistor 26 can flow.
  • the stored energy in the capacitor 28 and the energy of the control pulse 18 is sufficient to ignite the squib in the actuator 12 and reliably inflate the airbag.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Aktor mit einem Steuergerät mit Mitteln zum Erzeugen von Ansteuersignalen. Erfindungsgemäß sind wenigstens ein Energiespeicher und eine Ladeeinheit vorgesehen, wobei die Ladeeinheit Mittel aufweist, um mittels der Ansteuersignale den wenigstens einen Energiespeicher aufzuladen. Verwendung z.B. für Aktoren im Kraftfahrzeug-Bereich.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Aktor und ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktors.
  • Speziell im Kraftfahrzeugbereich stehen für die Ansteuerung eines Aktors, beispielsweise des Zündmechanismus für einen Airbag oder Arretierungen für Kopfstützen, Motorhauben, Tankdeckel, Kofferraumdeckel, Türen und dergleichen, oft nur geringe elektrische Ströme zur Verfügung. Eine gleichgeartete Problematik findet sich im Maschinenbau bei Schließsystemen für CNC-Bearbeitungszentren, Sicherheitstüren und dergleichen. Üblicherweise werden die Aktoren über Ansteuersignale von einem Steuergerät ausgelöst. Die Ausgangsleistung der Endstufe solcher Steuergeräte reicht aber nicht für die Ansteuerung eines Aktors aus, der mit einer vergleichsweise großen elektrischen Leistung zu betreiben ist. Für die Ansteuerung eines Aktors sind daher zwei Steuergeräte vorgesehen. Ein erstes Steuergerät gibt einen Steuerimpuls zur Auslösung des Aktors aus und ein zweites Steuergerät arbeitet im Wesentlichen als Leistungsstufe und sorgt dafür, dass über eine zweite elektrische Leitung ausreichend elektrische Energie am Aktor vorhanden ist, um diesen zuverlässig auszulösen.
  • Mit der Erfindung soll eine Ansteuerschaltung für einen Aktor und ein Verfahren zum Ansteuern eines Aktors bereitgestellt werden, die bei verringertem baulichen Aufwand eine zuverlässige Auslösung des Aktors gewährleisten können.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu eine Ansteuerschaltung für einen Aktor mit einem Steuergerät mit Mitteln zum Erzeugen von Ansteuersignalen, wenigstens einem Energiespeicher und einer Ladeeinheit vorgesehen, wobei die Ladeeinheit Mittel aufweist, um mittels der Ansteuersignale den wenigstens einen Energiespeicher aufzuladen.
  • Die Erfindung beruht somit darauf, einen zusätzlichen Energiespeicher vorzusehen, beispielsweise einen Kondensator, und diesen Energiespeicher mittels der Ansteuersignale von dem Steuergerät aufzuladen bzw. dessen Ladung zu erhalten. Dabei können verschiedene Möglichkeiten vorgesehen sein, um zu entscheiden, ob das Ansteuersignal des Steuergeräts dazu verwendet werden soll, den Energiespeicher aufzuladen oder verwendet werden soll, um den Aktor auszulösen. Bei nicht zeitkritischen und nicht sicherheitsrelevanten Anwendungen kann es bereits ausreichend sein, so lange Ansteuersignale vom Steuergerät zur Ladung des Energiespeichers zu verwenden, bis dieser ein Energieniveau erreicht hat, das ausreicht, um den Aktor zuverlässig auszulösen. In diesem Fall muss das Steuergerät lediglich wiederholte Ansteuersignale ausgeben, die sich nicht voneinander unterscheiden müssen.
  • Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es vorteilhaft, wenigstens zwei unterschiedliche Arten von Ansteuersignalen vorzusehen. Eine erste Art von Ansteuersignalen weist beispielsweise einen niedrigen Signalspannungspegel auf, der nicht ausreicht, um den Aktor auszulösen.
  • Dieser niedrige Signalpegel kann aber dazu verwendet werden, den Energiespeicher aufzuladen. Eine Auslösung des Aktors wird dann mittels eines zweiten, unterschiedlichen Ansteuersignals bewirkt, das einen höheren Signalspannungspegel aufweist. Anstelle unterschiedlicher Signalpegel können beispielsweise auch unterschiedliche Signalfrequenzen eingesetzt werden.
  • Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist das Vorsehen eines Auswerteelektronik vorteilhaft. Eine solche Auswerteelektronik kann die empfangenen Ansteuersignale empfangen und je nach Art der empfangenen Ansteuersignale entscheiden, ob diese zum Aufladen des Energiespeichers dienen sollen oder für das Auslösen des Aktors vorgesehen sind.
  • Im Kraftfahrzeug-Bereich kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Steuergerät Diagnoseimpulse zum Diagnostizieren des Systems, speziell des Aktors, ausgibt und hiervon verschiedene Steuerimpulse zum Auslösen des Aktors. Die Diagnoseimpulse und die Steuerimpulse unterscheiden sich in der Signalspannungshöhe. Die Diagnoseimpulse zum Diagnostizieren des Aktors werden dazu verwendet, um einen Energiespeicher, beispielsweise einen Kondensator, im Bereich des Aktors zu laden. Die Diagnoseimpulse sind Spannungs- oder Stromimpulse, die in einem sogenannten "no-fire"-Bereich des Aktors liegen, also einen Strom- oder Spannungsimpuls darstellen, der nicht ausreichend groß ist, um das System, also den Aktor, auszulösen. Eine Ladeelektronik des Aktors kann zwischen Diagnoseimpulsen und Steuerimpulsen unterscheiden. Durch beispielsweise zyklische Diagnoseimpulse wird der Energiespeicher geladen bzw. dessen Ladung wird erhalten. Um ein schnelles Aufladen des Energiespeichers zu ermöglichen, können der oder die ersten Diagnoseimpulse verlängert werden oder in einem kürzeren Intervall oder mit höherer Wiederholrate erfolgen. Nach Aufladen des Energiespeichers können die nachfolgenden Diagnoseimpulse dann kürzer sein oder in einem längeren Intervall aufeinanderfolgen und dann lediglich zur Ladungserhaltung dienen. Die Ladeelektronik oder Auswerteelektronik kann durch einen Spannungsvervielfacher die Diagnosespannung der Diagnoseimpulse erhöhen und im Energiespeicher speichern. Dadurch wird die Kapazität des Energiespeichers besser ausgenutzt. Liegt dann ein Steuerimpuls zur Auslösung des Aktors vor, wird die Energie dieses Steuerimpulses vom Steuergerät und die Energie des Energiespeichers gemeinsam zur Auslösung des Aktors genutzt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
    Die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerschaltung 10 für einen Airbag. Airbags werden beispielsweise mittels einer Zündpille gezündet, die nach der Aktivierung Druckgase entwickelt oder eine Druckluftflasche öffnet, wodurch dann der Airbag aufgeblasen wird. Zur Aktivierung einer solchen Zündpille wird eine beträchtliche elektrische Energie benötigt und die Zündpille ist Teil eines Aktors 12, der darüber hinaus noch geeignete Mittel aufweist, um elektrische Energie beispielsweise in thermische Energie zum Zünden der Zündpille umzuwandeln.
  • Ein Steuergerät 14 ist zum Auslösen des Aktors 12 vorgesehen und weist beispielsweise einen Crashsensor auf. Das Steuergerät 14 ist mit einer Endstufe 16 verbunden, in der die Ausgangssignale des Steuergeräts ausgeformt werden. Das Steuergerät 14 kann in Verbindung mit der Endstufe 16 zwei unterschiedliche Arten von Ausgangssignalen ausgeben, nämlich zum einen einen Steuerimpuls 18 zur Auslösung des Aktors und Diagnoseimpulse 20. Der Steuerimpuls 18 weist einen Spannungspegel U1 auf und die Diagnoseimpulse weisen einen Spannungsimpuls U2 auf, wobei U2 kleiner ist als U1. Die Diagnoseimpulse 20 werden im laufenden Betrieb zunächst dazu verwendet, das Vorhandensein und die Funktionsfähigkeit des Aktors 12 zu überprüfen.
  • Der Aktor 12 ist darüber hinaus in eine Lade- und Ansteuerschaltung 22 eingebunden, die eine intelligente Lade- und Auswerteelektronik 24, einen Transistor 26 und einen Kondensator 28 aufweist. Die Lade- und Auswerteelektronik 24 kann zwischen den Diagnoseimpulsen 20 und dem Steuerimpuls 18 unterscheiden. Wenn das Steuergerät 14 in Verbindung mit der Endstufe 16 Diagnoseimpulse 20 ausgibt, so werden diese von der Lade- und Auswerteelektronik 24 dazu verwendet, den Kondensator 28 aufzuladen. Die Lade- und Auswerteelektronik 24 enthält hierzu einen Spannungsvervielfacher, der das Spannungsniveau U2 der Diagnoseimpulse erhöht, so dass am Kondensator 28 eine höhere Spannung anliegt als das Spannungsniveau U2. Der Kondensator 28 befindet sich in unmittelbarer Nähe des Aktors 12, um Leitungsverluste möglichst gering zu halten.
  • Um den Kondensator 28 und damit den Aktor 12 schnell in einen auslösebereiten Zustand zu versetzen, kann das Steuergerät 14 beispielsweise nach seiner Inbetriebnahme zahlreiche Diagnoseimpulse 20 in kurzer Folge aussenden. Nachdem der Kondensator 28 einen vordefinierten Energieinhalt aufweist, kann die Abfolge der Diagnoseimpulse 20 dann verringert werden, um einen eventuellen Ladungsverlust am Kondensator 28 auszugleichen.
  • Erkennt der Crashsensor im Steuergerät 14 einen Fahrzeugaufprall, so gibt das Steuergerät 14 als Ansteuersignal den Steuerimpuls 18 aus. Die Lade- und Auswerteelektronik 24 erkennt das Vorliegen eines Steuerimpulses und schaltet diesen auf den Transistor 26 weiter. Der Transistor 26 wird dadurch leitend, so dass die im Kondensator 28 gespeicherte Energie über den Aktor 12 und den Transistor 26 abfließen kann. Die im Kondensator 28 gespeicherte Energie und die Energie des Steuerimpulses 18 reicht aus, um die Zündpille im Aktor 12 zu zünden und den Airbag zuverlässig aufzublasen.

Claims (10)

  1. Ansteuerschaltung (10) für einen Aktor (12) mit einem Steuergerät (14) mit Mitteln zum Erzeugen von Ansteuersignalen (18, 20), gekennzeichnet durch wenigstens einen Energiespeicher (28) und eine Ladeeinheit (24), wobei die Ladeeinheit (24) Mittel aufweist, um mittels der Ansteuersignale (18, 20) den wenigstens einen Energiespeicher (28) aufzuladen.
  2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um in Abhängigkeit eines geeigneten Ansteuersignals (18) des Steuergeräts (14) den Aktor (12) mit der im Energiespeicher gespeicherten Energie zu beaufschlagen.
  3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinheit (24) eine Auswerteelektronik zum Auswerten der Ansteuersignale (18, 20) des Steuergeräts (24) aufweist und in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses die Ansteuersignale zum Auslösen des Aktors (12) oder zum Aufladen des Energiespeichers (28) weiterleitet.
  4. Ansteuerschaltung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen von Ansteuersignalen des Steuergeräts (14) wenigstens zwei unterschiedliche Arten von Ansteuersignalen (18, 20) erzeugen können und die Auswerteelektronik der Ladeeinheit (24) in Abhängigkeit der Art der Ansteuersignale diese entweder zum Aufladen des Energiespeichers (28) oder zum Ansteuern des Aktors (12) weiterleitet.
  5. Ansteuerschaltung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen von Ansteuersignalen des Steuergeräts (14) Steuerimpulse zur Auslösung des Aktors (12) oder Diagnoseimpulse ausgeben, wobei die Auswerteelektronik der Ladeeinheit (24) die Diagnoseimpulse zum Laden des Energiespeichers (28) weiterleitet und die Steuerimpulse zur Auslösung des Aktors (12) weiterleitet.
  6. Verfahren zum Ansteuern eines Aktors (12) mit folgenden Schritten:
    - Erzeugen von wenigstens zwei Arten von Ansteuersignalen (18, 20), wobei eine erste Art der Ansteuersignale (18, 20) zum Aufladen und zum Erhalten der Ladung eines Energiespeichers (28) verwendet werden und eine zweite Art der Ansteuersignale (18, 20) zum Auslösen des Aktors (12) verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schritt des Auswertens der Ansteuersignale vorgesehen ist und in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses die Ansteuersignale zum Aufladen des Energiespeichers (28) oder zum Auslösen des Aktors (12) weitergeleitet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auslösen des Aktors (12) die Energie der Ansteuersignale zum Auslösen des Aktors (12) und die im Energiespeicher (28) gespeicherte Energie gemeinsam genutzt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuersignale (18, 20) als Rechteckimpulse ausgebildet sind, wobei die erste Art der Ansteuersignale zum Laden des Energiespeichers (28) gegenüber der zweiten Art von Ansteuersignalen eine geringere Signalhöhe aufweisen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Art der Ansteuersignale Diagnoseimpulse zum Feststellen der Betriebsbereitschaft des Aktors (12) sind.
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