JP2005538676A - 電磁的なアクチュエータを流れる電流を閉ループ制御する方法 - Google Patents

Abstract

電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御するための方法が提案される。アクチュエータ（１０）と第１のスイッチ（１１）と電流測定回路（１３）とが直列回路を形成する。アクチュエータ（１０）にはフライホイールダイオード（１５）が並列接続されている。第１のスイッチ（１１）が閉ループ制御部（２０）及びパルス形成部（２２）によってＰＷＭ信号を用いて開閉され、電流測定回路（１３）によって測定されるアクチュエータ（１０）を流れる電流を目標値（ＳＷ）に閉ループ制御する。ＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さが変更され、ＰＷＭ信号には低周波振動の形態のいわゆるディザ機能が重畳される。

Description

従来技術
本発明は電磁的なアクチュエータを流れる電流を閉ループ制御する方法に関し、ここでアクチュエータと第１のスイッチと電流測定回路とが直列回路を形成し、アクチュエータ（１０）にはフライホイールダイオードが並列接続されており、第１のスイッチは閉ループ制御部及びパルス形成部によってＰＷＭ（ＰＷＭ＝パルス幅変調）を用いて、電流測定回路によって測定されるアクチュエータを流れる電流が目標値に閉ループ制御されるように開閉される。

このような方法は一般的に公知である。この方法の基礎をなす電気回路ではＰＷＭ信号が第１のスイッチを用いてアクチュエータを介する電流に変換される。第１のスイッチが閉じられた状態において、また開かれた状態においても、アクチュエータを介して流れる電流が電流測定回路によって測定される。これに基づきこの電流を閉ループ制御するために必要とされる、所定の目標値との比較が実施される。

公知の制御の問題は電磁的なアクチュエータが通常の場合ヒステリシスを有することである。これにより、例えば自動車の伝動装置の制御にアクチュエータが使用される場合には、ヒステリシスの結果制御が不正確になるため伝動装置の正確な切替過程はもはや容易には実施できない。

課題、解決手段及び発明の利点
本発明の課題は、制御のより高い精度を実現する、電磁的なアクチュエータを流れる電流を閉ループ制御する方法を提供することである。

この課題は本発明によれば、冒頭で述べたような方法において、ＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さが変更され、ＰＷＭ信号に低周波振動の形態のいわゆるディザ機能が重畳されることによって解決される。

オンオフ周期の長さを変更するということはＰＷＭ信号のいわゆるチョッパ周波数を変更することである。チョッパ周波数のこのような変更によって、電磁的なアクチュエータのいわゆる衝突衝撃（Sitzprellen）を低減することができる。同様に、アクチュエータのヒステリシスを殊に平均電流範囲においてチョッパ周波数の減少により低減することができる。チョッパ周波数を温度に依存して選択することができ、その結果アクチュエータの摩擦ヒステリシスはチョッパ周波数の減少によって低減される。総じてＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さに影響を及ぼすことによって、アクチュエータに流れる電流の本発明による閉ループ制御が実質的に改善される。

ディザ機能によってこの閉ループ制御のさらなる改善が達成される。殊にアクチュエータの可動の鉄心はＰＷＭ信号の低周波振動を用いて静止摩擦の状態に移行することが阻止される。すなわち鉄心をディザ機能によって継続的に滑り摩擦の状態に維持することができ、したがってアクチュエータの最小ヒステリシスを達成することができる。

殊に有利には、ディザ機能においてＰＷＭ信号の各パルスにはディザ値が加算される、または各パルスからディザ値が減算される。ここでＰＷＭ信号のパルスにディザ値が加算される期間の長さは有利には、パルスからディザ値が減算される期間の長さと等しい。

このことはディザ機能が全体として、アクチュエータに流れる平均電流に影響を及ぼさないという利点をもたらす。

本発明の殊に有利な実施形態においては、２つの期間がＰＷＭ信号のオンオフ周期の期間の長さの倍数である全体の期間を形成する。

本発明の殊に有利な別の実施形態では、電流測定回路によって測定されるアクチュエータを流れる電流が補正部によってディザ機能から解放される。２つの電流値はＰＷＭ信号のパルスにディザ値が加算されるまたはパルスからディザ値が減算される、同一の長さの期間の間隔において測定され、またこれら２つの測定された電流値の平均値が形成されることは有利である。

前述の間隔において測定される２つの電流値の平均値が形成されることによって、加算ないし減算されたディザ値が即座に消去されるということが保証される。このようにして、ディザ機能はアクチュエータに流れる電流の閉ループ制御に何ら影響を及ぼさないことが達成される。

本発明の有利な実施形態では、診断部によって第１のスイッチの測定されたオンオフ時点に基づいてアクチュエータを流れる電流が算出され、この診断部によってこの算出された電流が電流測定回路によって測定された電流及び／又は目標値と比較される。

このことはアクチュエータに流れる電流の本発明による全体の閉ループ制御の冗長的な検査を可能にする。すなわち、測定された電流を目標値と比較することだけが可能であるのではなく、付加的に、オンオフ時点から算出された電流を測定された電流及び／又は目標値と比較することもできる。したがって、誤動作によって惹起されている短絡及び電流偏差により良好に反応することができる。

本発明をコンピュータプログラムの形態または制御装置の形態で実現することができる。コンピュータプログラムを電子記憶媒体に記憶することができる。制御装置は殊にソフトウェアで実現されている本発明の構成要素を包含することができる。さらに制御装置はソフトウェアをアクチュエータ及びこれに所属するハードウェアモジュールと結合するために必要な全てのモジュールを有することができる。

発明の実施例
本発明のさらなる特徴、適用可能性及び利点は図面に示されている本発明の実施例の以下の説明から生じる。ここで、記述ないし説明される全ての特徴はそれ自体または任意の組合せで、請求項または請求項の相互関係における本発明の梗概とは独立し、また明細書ないし図面における文章ないし図とは独立している本発明の対象である。ここで、
図１は電磁的なアクチュエータを流れる電流を閉ループ制御するための本発明によるシステムの実施例の概略的なブロック回路図であり、
図２は図１のシステムに関する閉ループ制御の実施例の概略的なブロック回路図であり、
図３は電磁的なアクチュエータを流れる電流についての制御信号の概略的な時間ダイヤグラムである。

図１には電磁的なアクチュエータ１０が示されており、このアクチュエータ１０は内部にスライド可能に配置されている鉄心を備えたコイルで良い。アクチュエータ１０を例えば自動車の伝動装置制御に使用できるか、内燃機関の噴射弁などとして使用できる。

アクチュエータ１０は第１のスイッチ１１を介して供給電圧ＵＶと接続されており、また第２のスイッチを介してアースと接続されている。アクチュエータ１０と第２のスイッチ１２との間には電流測定回路１３が挿入されており、また監視部１４と接続されている。アクチュエータ１０及び電流測定回路１３に対して並列にフライホイールダイオード１５が接続されている。

アクチュエータ１０と第１のスイッチ１１との接続点には診断回路１６が接続されている。電流測定回路１３と監視部１４との接続点は抵抗１７を介して供給電圧ＵＶと接続されている。

閉ループ制御部２０には供給電圧ＵＶ、周囲温度ＴＵを表す信号及び目標値ＳＷを特徴付ける信号が印加される。電流測定回路１３によって形成される信号は補正部２１によって処理されて、閉ループ制御部２０に転送される。閉ループ制御部２０は一方ではパルス形成部２２を介して第１のスイッチ、他方では直接第２のスイッチ１２を駆動制御する。

診断部２３には診断回路１６、電流測定回路１３及び監視部１４によって形成される信号が印加される。さらに診断部２３には目標値ＳＷが加えられる。これらの信号に依存して診断部２３は閉ループ制御部２０に作用する。

図１ではアクチュエータ１０は１つだけ示されている。図示されたシステムはこのアクチュエータ１０を流れる電流を閉ループ制御することに適している。しかしながら同様に、複数のアクチュエータ１０を設けることも可能である。この場合には図１において２つの破線２５の間に配置されている構成素子が相応に複数設けられている。すなわちこの場合には複数のアクチュエータ１０が設けられているだけではなく、所属の第１のスイッチ１１、電流測定回路１３、フライホイールダイオード１５及び診断回路１６もそれぞれ複数設けられている。

この場合複数のアクチュエータ１０は相互に並行して、図１に示しまた既に言及したやり方と同じようにして駆動制御される。図１ではこれに関して、この場合複数設けられているコネクションが太い線で表されている。このコネクションは例えばバスコネクションで良く、このコネクションでは各調節弁１０にバスコネクションの１つの線が割り当てられている。

２つの線２５の間に示されている構成要素はハードウェアモジュールとして実施されている。図１において線２５の左側に示されている構成要素は有利にはソフトウェアとして実現されており、マイクロプロセッサなどによって実施されている。このためにコンピュータプログラムが設けられており、このコンピュータプログラムのプログラム命令はマイクロプロセッサにおいて実行することに適している。コンピュータプログラムは有利にはフラッシュメモリに記憶されており、このフラッシュメモリはマイクロプロセッサと共に制御装置内に収容されている。ハードウェアモジュールとマイクロプロセッサないし制御装置との間には、図１には図示していないインタフェース、アナログ／ディジタル変換器などを設けることができる。

図１の閉ループ制御部２０が図２に詳細に示されている。閉ループ制御部２０は前制御部３１、Ｉ成分３２及びＰ成分３３を有する。

前制御部３１には供給電圧ＵＶ、周囲温度ＴＵ及び目標値ＳＷが印加される。これらに依存して前制御部３１は信号を形成し、この信号は加算部３４に供給される。前制御部３１はＩ成分３２及びＰ成分によって補償調整すべき偏差を可能な限り僅かに保つタスクを有する。

減算個所３５において実際値ＩＷから目標値ＳＷが減算される。ここで実際値ＩＷは図１の補正部２１によって形成される信号に対応する。減算個所３５によって算出された差分がＩ成分３２及びＰ成分３３に供給される。Ｐ成分３３は加算個所３４に供給される信号を形成する。

Ｉ成分３２の形成を２つのスイッチ３６を用いて中断することができる。このために２つのスイッチ３６はブロック３７によって駆動制御され、このブロック３７には目標値ＳＷが印加されている。

時間的に連続する値を継続的に比較することによって、ブロック３７は目標値ＳＷに所定の最大変化を上回る飛躍的な変化が生じているか否かを識別する。肯定の場合にはブロック３７は２つのスイッチ３６を開いて、Ｉ成分３２の形成を中断する。この場合目標値ＳＷの飛躍的変化はＰ成分３３によってのみ調節される。Ｉ成分３３の中断の長さを固定で所定の長さで選択することができるか、例えば目標値ＳＷの飛躍的変化の幅に依存して可変に選択することができる。

ブロック３７によって飛躍的変化が識別されなければ、スイッチ３６は閉じられたままであるのでＩ成分３２はアクティブである。この場合Ｉ成分３２は加算個所３４に供給されている。ここでもう一度、図２の閉ループ制御部２０したがってスイッチ３６が有利にはソフトウェアとして実現されていることを示唆する。

加算個所３４において形成された合計Ｓは、閉ループ制御部２０によって形成されてパルス形成部２２に供給される信号に対応する。

アクチュエータ１０を流れる電流を閉ループ制御するための図１に示されたシステムは以下のように機能する：
アクチュエータ１０を介する電流が第１のスイッチ１１を用いて調節される。このために第１のスイッチ１１にはＰＷＭ信号（ＰＷＭ＝パルス幅変調）が印加される。第２のスイッチ１２は通常の動作時には閉じられている。

このようなＰＷＭ信号が例示的に図３に時間ｔに関してプロットされている。ＰＷＭ信号は、第１のスイッチ１１が閉じられているオン状態（「１」）と第１のスイッチ１１が開かれているオフ状態（「０」）のみで区別される。第１のスイッチ１１が閉じられている場合には電流が供給電圧源ＵＶから第１のスイッチ１１、アクチュエータ１０、電流測定回路１３及び閉じられた第２のスイッチ１２を介してアースへと流れる。第１のスイッチ１１が開かれている場合にはこのような電流は流れない。ＰＷＭ信号のオン期間及びオフ期間の長さを変更することによって、アクチュエータ１０に流れる電流に影響を及ぼすことができる。

ＰＷＭ信号は閉ループ制御部２０の出力信号に依存してパルス形成部２２によって形成される。殊にパルス形成部２２によって閉ループ制御部２０の出力信号がＰＷＭ信号に変換され、このＰＷＭ信号のオン期間とオフ期間との比は出力信号の量に対応する。

ＰＷＭ信号のオンオフ周期の期間の長さＴＣはいわゆるＰＷＭ信号のチョッパ周波数に対応する。制御部２０及び／又はパルス形成部２２はこの期間の長さＴＣを可変に変更することができる。複数のアクチュエータ１０が存在する場合には、この持続時間ＴＣを相互に依存してまた可変に変更することができる。

種々のアクチュエータ１０に配属されている第１のスイッチ１１のオン時点及び／又はオフ時点が可能な限り同時生じないことを保証するために、個々のアクチュエータ１０は位相シフトされて駆動制御される。期間の長さＴＣが変更されることによって、切替エッジの連続する降下の発生が可能な限り僅かであるよう、この位相関係に影響を及ぼすことができる。

期間の長さＴＣしたがってチョッパ周波数の変更は、チョッパ周波数が比較的大きい時のスライド可能な鉄心のストローク幅が比較的小さいことによるアクチュエータ１０のいわゆる衝突衝撃の低減を達成するために使用することができる。チョッパ周波数が比較的低いことによって殊に平均的な電流範囲においてアクチュエータ１０のヒステリシスを低減することができる。温度が低い時にチョッパ周波数は低減されるようにチョッパ周波数を温度に依存して調節することができ、その結果温度が低い時に存在するアクチュエータ１０の摩擦ヒステリシスは低減される。

閉ループ制御部２０及び／又はパルス形成部２２はいわゆるディザ機能を実施することができ、このディザ機能とはアクチュエータ１０を流れる電流に対する低周波の振動の重畳である。算出されたＰＷＭ信号に所定のディザ値が加算ないし減算される。このディザ機能を複数のアクチュエータ１０に対して相互に依存せずにまた可変に実施することができる。

このことは図３において個々のアクチュエータ１０に関して、ＰＷＭ信号の個々のパルスがディザ値ＤＷ分延長され次いで短縮されることによって表されている。個々のパルスが延長される期間Ｔ１はパルスが短縮される期間Ｔ２と等しい。この２つの期間Ｔ１、Ｔ２を加算することにより生じる、ディザ機能の全体の期間ＴＤはチョッパ周波数の期間の長さＴＣの倍数である。図示された場合では期間ＴＤは期間ＴＣの１０倍の長さである。

補完的に、ディザ値ＤＷの時間的な長さを変更することによってディザ機能の幅も変えることができる。

ディザ機能を用いて殊に、駆動制御されるアクチュエータ１０の可動の鉄心が静止摩擦の状態に移行することを阻止できる。すなわち鉄心をディザ機能によって滑り摩擦の状態に維持することができ、したがってアクチュエータ１０の最小ヒステリシスを達成することができる。

閉ループ制御部２０が所定の時間的な間隔でパルス制御（anstossen）され、閉ループ制御が既存のアクチュエータ１０の数に応じて実施される。既存の全てのアクチュエータ１０に対する相応の出力信号が閉ループ制御部２０からパルス形成部２２に転送され、このパルス形成部２２は継続的にそれぞれ対応するＰＷＭ信号を種々のアクチュエータ１０に対して形成し、最終的にこのＰＷＭ信号を用いて種々のアクチュエータ１０に所属するそれぞれの第１のスイッチ１１が駆動制御される。

このようにして種々のアクチュエータ１０を介して流れる電流がそれぞれ所属の電流測定回路１３によって測定される。電流測定回路は有利にはいわゆるシャント抵抗で良い。測定された電流値は補正部２１に転送され、この補正部２１では閉ループ制御部２０ないしパルス形成部２２によって導入されるディザ機能が再び算出される。したがってディザ機能は閉ループ制御部２０に何ら影響を及ぼさない。

ディザ機能を補正部２１において例えば、期間Ｔ１の間隔において測定された２つの電流値から平均値が形成されることによって保証することができる。ディザ機能の期間ＴＤとチョッパ周波数の期間の長さＴＣとの関係に基づき、前述の平均値にはディザ機能、殊にディザ値ＤＷはもはや包含されていない。

記述のように、補正部２１からはディザ機能から解放されている測定された電流値が閉ループ制御部２０に実際値ＩＷとして転送される。

測定された電流値は電流測定回路１３から診断部２３にも転送される。この診断部２３においては測定された電流値が目標値ＳＷと比較される。所定の最大値を上回るような偏差が存在する場合には、診断部２３は閉ループ制御部２０を介して補正を行うよう介入操作を実施するか、該当するアクチュエータ１０、それどころが既存の全てのアクチュエータ１０に流れる電流を遮断することができる。

アクチュエータ１０と第２のスイッチ１２との間に存在する電位は監視部１４によって監視され、診断部２３に転送される。この電位に誤りが存在する場合には、供給電圧部ＵＶへの短絡が存在し、第２のスイッチ１２は診断部２３によって閉ループ制御部２０を介して即座に開かれ、その結果電流がもはやアクチュエータ１０を流れることはない。

アクチュエータ１０と第１のスイッチ１１との間に存在する電位は診断回路１６によって監視され、診断部２３に転送される。この電位に誤りが存在する場合には、殊にアースへの短絡が存在し、第１のスイッチは診断部２３によって閉ループ制御部２０を介して即座に開かれたままにされ、その結果電流がアクチュエータ１０を流れることはない。

さらには診断回路１６は第１のスイッチ１１が開かれる時点及び閉じられる時点を識別する。この測定された時点に基づき診断部２３によって、所属のアクチュエータ１０を流れるそれぞれの電流値を算出することができる。この算出された電流値は電流測定回路１３によって測定された電流値及び／又は目標値ＳＷと比較される。診断部２３によって所定の最大値よりも大きい偏差が確認されると、所属のアクチュエータ１０または既存の全てのアクチュエータ１０を流れる電流を閉ループ制御部２０を介してやはり遮断することができる。

総じてこのようにして、アクチュエータ１０を流れる電流は何度も、つまり冗長的に監視される。このことは複数のアクチュエータ１０が設けられている場合にも該当する。

図１に示された、アクチュエータ１０を流れる電流を閉ループ制御するシステムが最初に動作する前、すなわち殊にシステムの初期化中、第２のスイッチ１２は開かれたままであるのでアクチュエータ１０に電流は流れない。したがってアクチュエータ１０と第２のスイッチ１２との間の電位はそもそも算出することはできない。

しかしながらこの電位の算出は抵抗１７を用いて実現することができる。抵抗１７は１つだけ設けられており、むしろ大きい抵抗値を有する。抵抗１７を基礎としてアクチュエータ１０と第２のスイッチ１２との間の電位を監視部１４によって算出することができ、供給電圧部ＵＶまたはアースへの短絡を確認することができる。

図１とは異なり択一的に、ＰＷＭ信号を第２のスイッチに印加し、第１のスイッチが通常動作時に継続的に閉じられたままにすることも可能である。診断回路はこの場合第２のスイッチに配属されており、また診断部は第１のスイッチに配属されている。しかしながらその他の点に関しては、可変のチョッパ周波数及びディザ機能を図１において記述したのと同様に適用することができる。

電磁的なアクチュエータを流れる電流を閉ループ制御するための本発明によるシステムの実施例の概略的なブロック図である。 図１のシステムに関する閉ループ制御の実施例の概略的なブロック回路図である。 電磁的なアクチュエータを流れる電流に関する制御信号の概略的な時間ダイヤグラムである。

Claims (11)

1. 電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する方法であって、
   前記アクチュエータ（１０）と第１のスイッチと電流測定回路（１３）とが直列回路を形成し、前記アクチュエータ（１０）にはフライホイールダイオード（１５）が並列接続されており、閉ループ制御部（２０）及びパルス形成部（２２）がＰＷＭ信号（ＰＷＭ＝パルス幅変調）を用いて前記第１のスイッチ（１１）を開閉し、前記電流測定回路（１３）によって測定される前記アクチュエータ（１０）を流れる電流を目標値（ＳＷ）に閉ループ制御する、電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する方法において、
   前記ＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さ（ＴＣ）を変更し、該ＰＷＭ信号に低周波振動の形態のいわゆるディザ機能を重畳することを特徴とする、電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する方法。
2. 前記ディザ機能において、前記ＰＷＭ信号の各パルスにディザ値を加算するないし各パルスからディザ値を減算する、請求項１記載の方法。
3. 前記ＰＷＭ信号のパルスにディザ値（ＤＷ）が加算される期間（Ｔ１）の長さは、パルスからディザ値（ＤＷ）が減算される期間（Ｔ２）の長さと等しい、請求項２記載の方法。
4. 前記２つの期間（Ｔ１、Ｔ２）は前記ＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さ（ＴＣ）の倍数である全体の期間を形成する、請求項３記載の方法。
5. 前記電流測定回路（１３）によって測定される前記アクチュエータ（１０）を流れる電流を補正部（２１）によってディザ機能から解放する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ２つの電流値が、前記ＰＷＭ信号のパルスにディザ値（ＤＷ）が加算されるまたはパルスからディザ値（ＤＷ）が減算される、同一の長さの期間（Ｔ１）の間隔において測定され、測定された該２つの電流値の平均値を形成する、請求項５及び４記載の方法。
7. 診断部（２３）によって、前記第１のスイッチ（１１）の測定されたオンオフ時点に基づき前記アクチュエータ（１０）を流れる電流を算出し、該診断部（２３）によって、該算出された電流を前記電流測定回路（１３）によって測定された電流及び／又は目標値（ＳＷ）と比較する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. プログラム命令がコンピュータ、例えばマイクプロセッサにおいて実行される時に、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法の実施に適しているプログラム命令を有することを特徴とする、コンピュータプログラム。
9. 電子記憶媒体、例えばフラッシュメモリに記憶する、請求項８記載のコンピュータプログラム。
10. 電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する制御装置であって、
    該アクチュエータ（１０）と第１のスイッチ（１１）と電流測定回路（１３）とが直列回路を形成し、該アクチュエータ（１０）にはフライホイールダイオード（１５）が並列接続されており、
    閉ループ制御部（２０）及びパルス形成部（２２）を有し、該閉ループ制御部（２０）及び該パルス形成部（２２）によって前記第１のスイッチ（１１）がＰＷＭ信号（ＰＷＭ＝パルス幅変調）を用いて開閉され、前記電流測定回路（１３）によって測定される前記アクチュエータ（１０）を流れる電流が目標値（ＳＷ）に閉ループ制御される、電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する制御装置において、
    前記ＰＷＭ信号のオンオフ周期の長さ（ＴＣ）を変更し、該ＰＷＭ信号に低周波振動の形態のいわゆるディザ機能を重畳することに適していることを特徴とする、電磁的なアクチュエータ（１０）を流れる電流を閉ループ制御する制御装置。
11. 自動車、殊に自動車の伝動装置制御に使用する、請求項１０記載の制御装置。

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