DE102004017239B4

DE102004017239B4 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Ventilspulen in elektronischen Kraftfahrzeugbremssystemen

Info

Publication number: DE102004017239B4
Application number: DE102004017239A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fey; Mario Engelmann; Peter Dr. Oehler; Axel Schmitz; Frank Michel
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: DE102004017239A1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung einer Endstufe, welche insbesondere eine PWM-geregelte Endstufe ist, in einem elektronischen Kraftfahrzeugsteuergerät umfassend
– eine elektronische Ausgangsendstufe (1, 3) zur Ansteuerung von induktiven Lasten (4) und
– eine elektrisch ansteuerbare Abschaltstufe (2, 6, 14) mit einem elektrisch ansteuerbaren Abschaltbauelement (2) zum schnelleren Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms (I_ref), welches in Reihenschaltung zum Ausgang der Ausgangsendstufe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand des Abschaltbauelementes in Abhängigkeit vom aktuellen Strom und in Abhängigkeit vom aktuellen Sollstrom eingestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für elektronische Steuergeräte in Kraftfahrzeugen.
Es ist bekannt, Magnetventile in Kraftfahrzeugsteuergeräten, wie Bremsensteuergeräte, mittels Pulweitenmodulation (PWM-Regelung) über geeignete Endstufen anzusteuern.
Druckschrift DE 34 37 155 A1 beschreibt eine Schalteinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung einer PWM-geregelten Endstufe. Dabei umfasst diese Schalteinrichtung eine elektronische Ausgangsendstufe zur Ansteuerung induktiver Lasten und eine elektrisch ansteuerbare Abschaltstufe mit einem elektrisch ansteuerbaren Widerstandsbauelement zum relativ schnellen Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms.
In üblichen Bremssystemen sind die Radzylinder über Hydraulikleitungen und Magnetventile mit dem Hauptbremszylinder verbunden. Es besteht dabei in ABS- oder ESP-typischen Regelsituationen der Bedarf, den Druck in den an den Magnetventilen angeschlossenen Hydraulikleitungen möglichst exakt zu regeln bzw. zu steuern. Dies ist insbesondere in kostenoptimierten ESP-Steuergeräten (ESP: Fahrdynamikregelung durch Betrachtung der Gierrate) der Fall, bei denen nicht wie in früheren Generationen für jedes Ventil ein Drucksensor vorgesehen ist, sondern lediglich ein Drucksensor für das gesamte Bremssystem. In den letztgenannten Systemen mit lediglich einem Drucksensor ist eine genaue Einstellung des Drucks über das Magnetventil daher besonders wünschenswert.
Ventiltreiber bzw. Endstufen zur Ansteuerung der Magnetventile umfassen üblicherweise Halbleiterelemente, mit denen der Strom des Magnetventils geregelt werden kann. Ein firmenintern bekanntes Beispiel für eine entsprechende Schaltungsanordnung zur Ventilansteuerung mit einem High-Side-Transistor 1 und einem Low-Side-Transistor 3 ist in 2 dargestellt. In 1 ist der Verlauf des Spulenstroms I_RMS nach dem Abschalten des Stroms durch die Ansteuertransistoren 1 (leitend) und 3 (gesperrt) für die Zeit t > t₀ dargestellt. Die Zeit bis zum nahezu vollständigen Abklingen des Stroms (t₁ – t₀) beträgt im dargestellten Beispiel etwa 10 ms.
Um die Abschaltphase zu beschleunigen, wird daher für jeden Ventiltreiber jeweils ein zusätzlicher Abschalttransistor 2 verwendet. Hierdurch lässt sich die Abschaltzeit (t₂ – t₀) auf weniger als etwa 1,5 ms verkürzen, wie die entsprechende Kurve des Stromverlaufs I_RMS(t) in 3 zeigt. Der durch den zusätzlichen Transistor vorgenommene Schaltvorgang wird nachfolgend auch als Abkommutierung bezeichnet.
Es hat sich gezeigt, dass in entsprechend mit Abschalttran sistoren versehenen Ventiltreibern nach dem Umschalten des Ventilstroms von einem hohen Wert (z.B. 1400 mA) auf einen niedrigen Wert des Stroms (z.B. 200 mA) der Strom I_RMS vor dem Erreichen des späteren Stromsollwertes I_soll für eine bestimmte Zeitdauer kleiner wird, als I_soll. Diese sogenannten Unterschwinger führen dazu, dass zumindest in Bremssystemen mit nur einem Drucksensor der Hydraulikdruck nicht mit der gewünschten Genauigkeit eingestellt werden kann. Wird nach der Abkommutierung wieder auf die normale PWM-Regelung umgeschaltet, so kommt es zu einem Rücksprung des Stroms auf den neuen, durch die PWM-Regelung aktuell eingestellten Strom.
Die Erfindung setzt sich daher zum Ziel, derartige Unterschwinger oder Rücksprünge unter Beibehaltung der kurzen Abschaltzeit zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Das Kraftfahrzeugsteuergerät ist bevorzugt ein Regler eines elektronischen Bremssystems, welcher mit einer Hydraulikeinheit verbunden ist. Durch die Endstufe wird vorzugsweise eine Ventilspule angesteuert, mit der sich der Druck in an das Ventil angeschlossenen Hydraulikleitungen verstellen lässt.
Bei der Ausgangsendstufe handelt es sich vorzugsweise um einen oder mehrere Halbleitertransistoren, insbesondere einen oder mehrere Feldeffekttransistoren (FETs).
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der Strom in der Ventilspule besonders schnell einen eingeschwungenen Zustand erreicht. Der eingeschwungene Zustand ist vorzugsweise bereits nach einer Zeit von etwa 5 ms, insbesondere 1,5 ms, erreicht. Hierdurch kann der Fehler des gewünschten, theoretisch vorgegebenen, Druckgradienten besonders gering gehalten werden.
In 1 ist der Verlauf des Stroms I_RMS in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Der Strom nähert sich dem Sollwert verhältnismäßig langsam an.
In 2 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Abschalttransistor dargestellt, welche eine Beschleunigung der Annäherung in 1 herbeiführt. Klemme HS und LS werden in an sich bekannter Weise durch ein Steuersignal einer pulsweitenmodulierten Stromregelung (PWM-Regelung) angesteuert. An Klemme 15 liegt das von einer digitalen Steuerung 17 bereitgestellte Signal FSD an, welches eine schnelle Abkommutierung bewirkt. Gemeinsam mit Widerstand 18 wird ein hochohmiger Eingang bewirkt, so dass das Potenzial an Klemme 15 durch Zehnerdiode 6 beeinflussbar ist. Der Einfluss der Zehnerdiode, welche eine definierte Spannung U₂ auf Eingang 15 addiert, bewirkt, dass der an der mit Eingang 15 verbundene Transistor 2 nicht vollkommen leitend wird. Nach der Abkommutierung wird wieder auf die normale PWM-Regelung umgeschaltet, in dem das Signal FSD einen "high"-Pegel annimmt. Der sich ergebende Stromverlauf ist in 3 dargestellt. Wie man sieht, unterschreitet der Strom den Stromwert I_soll für eine bestimmte Zeit, was unerwünscht ist.
Die Schaltungsanordnung in 4 verhindert die Unterschreitung des Stromwerts I_soll entsprechend 3, wie der Stromverlauf in 5 zeigt.
6a) zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung VO_x der Schaltung in 2.
6b) zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung VO_x der Schaltung in 4.
Die Schaltungsanordnung in 7 sieht eine zeitgesteuerte variable Spannung an der induktiven Last 4 vor. Hierdurch wird ebenfalls ein "hartes" Abschalten (sogenannter "Überschwinger") dieser Spannung vermieden. Hierzu wird mittels einer Zenerdiodenkaskade (Stack), dessen Nennspannung in der Summe der maximalen Spannung an Last 4 entspricht, der Strom abkommutiert, um danach sukzessive nach Unterschreiten eines bestimmten Stromwertes oberhalb des Sollstromwertes die Zenerdioden der Reihe nach mittels jeweils hierfür verwendeter Halbleiterschalter 16, 16' zu überbrücken, so dass die Spannung an der Last 4 reduziert wird. Das Überbrücken der einzelnen Zenerdioden wird mittels einer Zeitverzögerungskette aus Zeitverzögerungsgliedern 12', 12'' und 12''' herbeigeführt, die auf die Eingänge der Halbleiterschalter 16, 16' usw. einwirkt. Dabei gilt für die Zeitkonstanten der n Zeitverzögerungsglieder folgender Zusammenhang: τ₁ < τ₂ < τ₃ < ... < τ_n.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Endstufe, welche insbesondere eine PWM-geregelte Endstufe ist, in einem elektronischen Kraftfahrzeugsteuergerät umfassend – eine elektronische Ausgangsendstufe (1, 3) zur Ansteuerung von induktiven Lasten (4) und – eine elektrisch ansteuerbare Abschaltstufe (2, 6, 14) mit einem elektrisch ansteuerbaren Abschaltbauelement (2) zum schnelleren Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms (I_ref), welches in Reihenschaltung zum Ausgang der Ausgangsendstufe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand des Abschaltbauelementes in Abhängigkeit vom aktuellen Strom und in Abhängigkeit vom aktuellen Sollstrom eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des Abschaltbauelements (2) durch eine Steuerspannung (U_Z) auf einen im wesentlichen festen Höchstwert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz des aktuellen Laststroms (I_RMS) und eines vorgegebenen Stroms (I_ref), welcher insbesondere der Sollstrom einer angeschlossenen PWM-Regelung ist, gebildet wird und diese Differenz zur Steuerung des ohmschen Widerstands herangezogen wird, wobei die Differenz vorzugsweise vor der Ansteuerung des ohmschen Widerstands invertiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sich auf Grund der Widerstandsänderung des Abschaltbauelements ändernde Spannungspotenzial an der induktiven Last (VO_x) in Form einer Rückkopplung der Steuerspannung am Eingang (U_F) einer Invertierungsstufe und/oder Verstärkerstufe (11) überlagert wird.
Verfahren zur Ansteuerung einer Endstufe, welche insbesondere eine PWM-geregelte Endstufe ist, in einem elektronischen Kraftfahrzeugsteuergerät umfassend – eine elektronische Ausgangsendstufe (1, 3) zur Ansteuerung von induktiven Lasten (4) und – eine elektrisch ansteuerbare Abschaltstufe (2, 12, 13, 16) mit einem elektrisch ansteuerbaren Abschaltbauelement (2) zum schnelleren Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms (I_ref), welches in Reihenschaltung zum Ausgang der Ausgangsendstufe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand des Abschaltbauelementes über einen zusätzlichen Abschalteingang (FSD) angesteuert wird, welcher mit einer digitalen Steuerung verbunden ist, und dass der ohmsche Widerstand des Abschaltbauelementes (2) sich nach Maßgabe eines Triggersignals (SC) selbstständig nach einer fest vorgegebenen Zeitspanne erhöht.
Schaltungsanordnung umfassend eine oder mehrere Endstufen (1, 3), welche jeweils zur Ansteuerung von induktiven Lasten (4) in einem elektronischen Kraftfahrzeugsteuergerät ausgelegt sind, wobei ein elektrisch ansteuerbares Abschaltbauelement (2), welches in Reihen schaltung zum Ausgang der Ausgangsendstufe angeordnet, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltbauelement ein Halbleiterbauelement mit steuerbarem Widerstand ist mit einem Steuereingang (5) zum Steuern des Widerstands in Abhängigkeit eines am Steuereingang anliegenden Potenzials zum schnelleren Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms (I_ref) und dass eine Differenzausgangsspannung durch einen Subtrahierer (8) erzeugt wird, dessen erstes Eingangssignal (I_RMS') proportional zum gemessenen Strom (I_RMS) ist, und dessen zweites Eingangssignal (I_ref) dem vorgegebenen Sollstrom der PWM-Regelung entspricht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei der Steuereingang (5) über eine Zenerdiode (6) mit einem ersten Treiberausgang (7) des Abschaltbauelements verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuereingang (5) das über einen Inverter (11) invertierte elektrische Analogsignal einer Führungsspannung (U_F) zugeführt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsspannung (U_F) durch Überlagerung der am Treiberausgang (7) anliegenden Spannung und einer Differenzausgangsspannung (U_W) gebildet wird.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahierer (8) ein digitaler Subtrahierer ist und die Eingänge bzw. Ausgänge des Subtrahierers mittels geeigneter Ana log/Digital-Wandler (9) bzw. Digital/Analog-Wandler (10) entsprechend gewandelt werden.
Schaltungsanordnung umfassend eine oder mehrere Endstufen (1, 3), welche jeweils zur Ansteuerung von induktiven Lasten (4) in einem elektronischen Kraftfahrzeugsteuergerät ausgelegt sind, wobei ein elektrisch ansteuerbares Abschaltbauelement (2), welches in Reihenschaltung zum Ausgang der Ausgangsendstufe angeordnet, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltbauelement ein Halbleiterbauelement mit steuerbarem Widerstand ist mit einem Steuereingang (5) zum Steuern des Widerstands in Abhängigkeit eines am Steuereingang anliegenden Potenzials zum schnelleren Einstellen eines vorgegebenen Sollstroms (I_ref), wobei das Steuerpotenzial (5) stufenweise mittels einer digitalen Ansteuerung oder einer Kaskade aus in Reihe geschalteten aktiv schaltbarer Zenerdioden (13, 13', 13'') verändert wird, wobei die Zenerdioden durch Zeitverzögerungsglieder (12', 12'', 12''') so abgeschaltet oder überbrückt werden, dass sich der Widerstand des durch das Steuerpotenzial angesteuerten Abschaltbauelementes (2) zu fest vorgegebenen Zeitpunkten (τ₁, τ₂, τ₃, ..., τ_n) stufenweise erhöht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (5) durch ein Steuersignal (FSD) angesteuert wird, welches von einer digitalen Ansteuerung bereitgestellt wird.