DE102006057522B4

DE102006057522B4 - Regelverfahren für eine Volumenstromregelung in einer Einspritzanlage

Info

Publication number: DE102006057522B4
Application number: DE102006057522.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Förster; Matthias Wiese
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: DE102006057522A1

Abstract

Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds (VCV), nämlich eines Volumenstromregelventils in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: a) Vorgabe eines Soll-Werts (αSOLL) für eine Stellgröße des Stellglieds (VCV), b) Ansteuerung des Stellglieds (VCV) mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (PWM) mit einem bestimmten Tastverhältnis (TEIN/TAUS) und einer bestimmten Periodendauer (T), wobei ein Strom (I) durch das Stellglied (VCV) bei einem aktiven Pegel des Steuersignals (PWM) angeschaltet wird, wohingegen der Strom (I) durch das Stellglied (VCV) bei einem inaktiven Pegel des Steuersignals (PWM) abgeschaltet wird, c) Strommessung des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) als Regelgröße, wobei der durch das Stellglied (VCV) fließende Strom (I) einen Ist-Wert der Stellgröße wiedergibt, d) Regelung des Steuersignals (PWM) für das Stellglied (VCV) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (I) zur Minimierung einer Soll-Ist-Abweichung zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (αSOLL) und dem Ist-Wert der Stellgröße, e) Triggerung der Strommessung in zeitlicher Synchronisation mit dem Steuersignal (PWM) für das Stellglied (VCV), dadurch gekennzeichnet, f) dass die Strommessung jeweils um eine vorgegebene Phasenverschiebung (Δt) zeitlich vor dem Abschalten des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) erfolgt, und g) dass die Phasenverschiebung (Δt) zwischen der Strommessung und der Stromabschaltung im Mikrosekundenbereich liegt, und h) dass das Tastverhältnis des pulsweiten modulierten Steuersignals (PWM) in der auf die Strommessung unmittelbar folgenden Periode des pulsweiten modulierten Steuersignals (PWM) nachgeregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds gemäß dem Hauptanspruch, insbesondere für ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine.
Moderne Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen weisen in der Regel einen Hochdruckkraftstoffkreislauf auf, über den die Einspritzventile der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgt werden, wobei in dem Hochdruckkraftstoffkreislauf ein Volumenstromregelventil (VCV: Volume Control Valve) angeordnet ist, das in Abhängigkeit von seiner Ansteuerung einen bestimmten Volumenstrom durchlässt. Die Ansteuerung des Volumenstromregelventils erfolgt herkömmlicherweise über eine Endstufe durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal, dessen Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem gewünschten Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils variiert wird. Der durch das Volumenstromregelventil fließende elektrische Strom gibt hierbei den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils wieder und kann deshalb im Rahmen einer Regelung als Regelgröße dienen. Zur Regelung der Ansteuerung des Volumenstromregelventils erfolgt in jeder Periode des pulsweitenmodulierten Steuersignals eine Strommessung, die dann als Regelgröße zurückgekoppelt und zur Nachregelung des Tastverhältnisses des pulsweitenmodulierten Steuersignals herangezogen wird, so dass Soll-Ist-Abweichungen des Öffnungsgrads des Volumenstromregelventils ausgeregelt werden. Die Strommessung erfolgt hierbei entsprechend der vorgegebenen Periodendauer des pulsweitenmodulierten Steuersignals in einem festen Zeitraster, d. h. zu vorgegebenen Messzeitpunkten, was jedoch messtechnisch unbefriedigend ist.
Aus DE 43 29 917 A1 ist eine Regelung für ein Magnetventil bekannt, bei der die Strommessung nicht zu vorgegebenen, starren Zeitpunkten erfolgt, sondern durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal getriggert wird. Die Strommessung erfolgt hierbei während der gesamten Einschaltphase der Endstufe.
Nachteilig an dieser bekannten Regelung ist die schwierige Erfassung des Spitzenwerts des durch das Magnetventil fließenden elektrischen Strom, da der gesamte Stromverlauf während der Einschaltphase der Endstufe untersucht werden muss.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das vorstehend beschriebene bekannte Regelverfahren zur Ansteuerung eines Volumenstromregelventils messtechnisch zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Regelverfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird zunächst ein Soll-Wert für eine Stellgröße (z. B. den Öffnungsgrad) eines Stellglieds (nämlich eines Volumenstromregelventils) vorgegeben, wobei der Soll-Wert im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelgröße eine Führungsgröße bildet.
Weiterhin erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens eine Ansteuerung des Stellglieds mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal mit einem bestimmten Tastverhältnis und einer bestimmten Periodendauer (z. B. 5 ms). Das pulsweitenmodulierte Steuersignal weist hierbei einen aktiven Pegel und einen inaktiven Pegel auf, wobei ein Strom durch das Stellglied beim aktiven Pegel angeschaltet und beim inaktiven Pegel abgeschaltet wird.
Darüber hinaus erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens eine Strommessung des durch das Stellglied fließenden Stroms als Regelgröße, wobei der durch das Stellgliedfließende Strom einen Ist-Wert der Stellgröße direkt oder indirekt wiedergibt.
Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Regelverfahren vor, dass das pulsweitenmodulierte Steuersignal für das Stellglied in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom durch das Stellglied nachgeregelt wird, um eine Soll-Ist-Abweichung zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert und dem Ist-Wert der Stellgröße auszuregeln.
Die Erfindung sieht nun zusätzlich vor, dass die Strommessung nicht in einem festen zeitlichen Raster erfolgt, sondern in zeitlicher Synchronisation mit dem Steuersignal für das Stellglied getriggert wird.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Strommessung in den einzelnen Perioden des pulsweitenmodulierten Steuersignals jeweils um eine vorgegebene Phasenverschiebung zeitlich vor dem Abschalten des durch das Stellglied fließenden Stroms bzw. vor dem Wechsel von dem aktiven Pegel des pulsweitenmodulierten Steuersignals zu dem inaktiven Pegel des pulsweitenmodulierten Steuersignals. Die Phasenverschiebung zwischen der Strommessung und der anschließenden Stromabschaltung bzw. dem anschließenden Wechsel vom aktiven zum inaktiven Pegel des Steuersignals liegt hierbei im Mikrosekundenbereich, beispielsweise zwischen 1 μs und 30 μs, wobei sich ein Wert von im Wesentlichen 5 μs als vorteilhaft erwiesen hat.
Im Vergleich dazu weist das pulsweitenmodulierte Steuersignal vorzugsweise eine Frequenz auf, die zwischen 50 Hz und 500 Hz liegt, wobei sich ein Wert von 200 Hz als vorteilhaft erwiesen hat. Dementsprechend liegt die Periodendauer bei einer Frequenz f = 200 Hz bei T = 5 ms.
Die vorstehend genannten Werte für die Phasenverschiebung zwischen der Strommessung und der anschließenden Stromabschaltung sowie für die Periodendauer bedeuten, dass die Strommessung jeweils unmittelbar vor der Stromabschaltung getriggert wird, so dass der durch das Stellglied fließende Strom nahe seinem Spitzenwert gemessen wird.
Darüber hinaus bietet die Strommessung während des aktiven Pegels des pulsweitenmodulierten Steuersignals den Vorteil, dass das Tastverhältnis in der unmittelbar folgenden Periode des pulsweitenmodulierten Steuersignals nachgeregelt werden kann, da auf die Strommessung der inaktive Pegel des pulsweitenmodulierten Steuersignals folgt, währenddessen noch eine Aktualisierung des Tastverhältnisses möglich ist. Das erfindungsgemäße Regelverfahren ermöglicht also eine Nachregelung des Tastverhältnisses des pulsweitenmodulierten Steuersignals von einer Periode zu der unmittelbar folgenden Periode, so dass das erfindungsgemäße Regelverfahren eine kurze Totzeit aufweist.
Zur Triggerung der Strommessung wird vorzugsweise ein zusätzliches Triggersignal erzeugt, das in seinem zeitlichen Verlauf ein Triggerereignis (z. B. eine steigende Flanke) aufweist, das die Strommessung triggert, wobei zwischen dem Triggerereignis und der folgenden Abschaltung des durch das Stellglied fließenden Stroms bzw. dem Wechsel vom aktiven zum inaktiven Pegel des pulsweitenmodulierten Steuersignals die bereits vorstehend erwähnte Phasenverschiebung von beispielsweise 5 μs liegt.
Das Triggerereignis in dem zusätzlichen Triggersignal kann beispielsweise eine steigende Flanke oder eine fallende Flanke des Triggersignals sein, jedoch ist es auch möglich, dass die Strommessung in anderer Weise durch das zusätzliche Triggersignal getriggert wird.
Bei einem Volumenstromregelventil als Stellglied gibt der zeitliche Mittelwert des durch das Volumenstromregelventil fließenden Stroms den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils wieder. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird deshalb vorzugsweise nicht nur der durch das Volumenstromregelventil fließende elektrische Strom gemessen, sondern zusätzlich auch der zeitliche Mittelwert des gemessenen Stroms gebildet, der dann als Regelgröße zurückgekoppelt werden kann. In Abhängigkeit von dem gemessenen Mittelwert des Stroms erfolgt dann eine Regelung des Steuersignals, was beispielsweise durch eine Veränderung des Tastverhältnisses des Steuersignals erfolgen kann.
Vorzugsweise erfolgt die Mittelwertbildung in jeder Periode des pulsweitenmodulierten Steuersignals, damit das Steuersignal diskontinuierlich von Periode zu Periode nachgeregelt werden kann. Vorteilhaft an dieser Nachregelung von einer Periode zur nächsten Periode ist die geringe Totzeit der Regelung.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Stellglied über eine Endstufe von dem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert, wobei die Endstufe beispielsweise low-aktiv oder high-aktiv sein kann.
Die Strommessung erfolgt dagegen im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens vorzugsweise mittels eines triggerbaren Analog/Digital-Wandlers, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Ferner umfasst die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, welches das erfindungsgemäße Regelverfahren ausführt, wenn es in einen Steuerrechner geladen ist und auf dem Steuerrechner abläuft.
Schließlich umfasst die Erfindung auch einen Steuerrechner für eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Programmspeicher, in den ein Computerprogramm geladen ist, welches das erfindungsgemäße Regelverfahren ausführt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisiertes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung zur Regelung der Ansteuerung eines Volumenstromregelventils in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
2 mehrere Zeitdiagramme, die den zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms durch das Volumenstromregelventil und den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Steuersignale zeigen, sowie
3 das erfindungsgemäße Regelverfahren in Form eines Flussdiagramms.
Das in 1 gezeigte Schaltbild dient lediglich zur Illustration des erfindungsgemäßen Regelverfahrens zur Ansteuerung eines Volumenstromregelventils VCV in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine und ist deshalb stark vereinfacht.
Das Volumenstromregelventil VCV ist auf seiner Spannungsseite mit einer Batteriespannung VB verbunden, die durch das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird und beispielsweise eine Spannung von +12 V aufweisen kann.
Auf seiner Masseseite ist das Volumenstromregelventil VCV dagegen über eine hier nur schematisch dargestellte Endstufe T und einen in Reihe mit der Endstufe T geschalteten Widerstand R mit Masse GND verbunden.
Parallel zu dem Volumenstromregelventil VCV ist eine sogenannte Free-Wheeling-Diode D geschaltet, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Die Endstufe T wird durch einen Regler C mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM angesteuert, wobei die Endstufe T low-aktiv ist, d. h. die Endstufe T schaltet durch, wenn das Steuersignal PWM einen Low-Pegel annimmt, wohingegen die Endstufe T sperrt, wenn das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM einen High-Pegel aufweist. Der zeitliche Verlauf des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM ist in 2 unten dargestellt, wohingegen das obere Zeitdiagramm in 2 den zeitlichen Verlauf eines durch das Volumenstromregelventil VCV fließenden Stroms I wiedergibt.
Eingangsseitig nimmt der hier nur schematisch dargestellte Regler C einen Soll-Wert α_SOLL für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils VCV auf, wobei der Soll-Wert α_SOLL beispielsweise durch eine elektronische Motorsteuerung (ECU: Electronic Control Unit) der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann. Der Soll-Wert α_SOLL wird hierbei von der Motorsteuerung entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand der Einspritzanlage variiert.
Weiterhin ist ein Analog/Digital-Wandler W vorgesehen, der eingangsseitig mit dem Verbindungspunkt zwischen der Endstufe T und dem Widerstand R verbunden ist und deshalb die über dem Widerstand R abfallende elektrische Spannung U(I) misst, die direkt proportional zu dem durch das Volumenstromregelventil VCV fließenden Strom I ist. Der Analog/Digital-Wandler W wird von dem Regler C mit einem Triggersignal TRIGGER angesteuert, wobei der zeitliche Verlauf des Triggersignals TRIGGER in 2 in der Mitte dargestellt ist. Der Analog/Digital-Wandler W wird jeweils von einer steigenden Flanke des Triggersignals TRIGGER zu einer Messung angetriggert und gibt dann ein digitales Signal aus, das den durch das Volumenstromregelventil VCV fließenden Strom I wiedergibt.
Hierbei ist zu erwähnen, dass die steigende Flanke des Triggersignals TRIGGER jeweils um eine Phasenverschiebung von Δt = 5 μs zeitlich vor dem Wechsel des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM vom aktiven zum inaktiven Pegel liegt. Dies bedeutet, dass die Strommessung jeweils unmittelbar vor der Stromabschaltung getriggert wird, so dass nahezu der Spitzenwert des durch das Volumenstromregelventil VCV fließenden Stroms I gemessen wird.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Flussdiagramm das erfindungsgemäße Regelverfahren beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Soll-Wert α_SOLL für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils VCV vorgegeben, wobei der Soll-Wert α_SOLL von der elektronischen Motorsteuerung variabel vorgegeben werden kann.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann zunächst eine Bestimmung eines Tastverhältnisses T_EIN/T_AUS für das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Soll-Wert α_SOLL.
Ferner erfolgt in einem Schritt S3 eine Ansteuerung der Endstufe T des Volumenstromregelventils VCV mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM, um den gewünschten Soll-Wert α_SOLL einzustellen.
Weiterhin erfolgt in einem Schritt S4 die Ansteuerung des Analog/Digital-Wandlers W mit dem Triggersignal TRIGGER, wobei das Triggersignal TRIGGER über dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM um eine Phasenverschiebung Δt phaseverschoben ist. Der Analog/Digital-Wandler W wird hierbei jeweils durch eine steigende Flanke des Triggersignals TRIGGER zu einer Messung angetriggert.
In einem Schritt S5 wird dann der zeitliche Verlauf des Triggersignals TRIGGER auf eine steigende Flanke hin überprüft.
Bei einer steigenden Flanke des Triggersignals TRIGGER wird der Analog/Digital-Wandler W dann in einem Schritt S6 zur Messung angetriggert, wobei der Analog/Digital-Wandler W ein Digitalsignal ausgibt, das den Momentanwert des Stroms I durch das Volumenstromregelventil VCV zum Messzeitpunkt wiedergibt.
In einem weiteren Schritt S7 wird dann aus dem gemessenen Momentanwert des Stroms I der zeitliche Mittelwert I in der aktuellen Periode des Steuersignals PWM berechnet, da dieser Mittelwert den Ist-Wert des Öffnungsgrads des Volumenstromregelventils wiedergibt.
In einem weiteren Schritt S8 wird der zeitliche Mittelwert I des Stroms I dann zur Nachregelung des Tastverhältnisses T_EIN/T_AUS des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM herangezogen, so dass die Soll-Ist-Abweichung des Öffnungsgrads des Volumenstromregelventils VCV mit geringer Totzeit nachgeregelt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.
Bezugszeichenliste:

C

Regler

D

Free-Wheeling-Diode

GND

Masse

I

Strom

I_IST

Ist-Wert des Stroms

PWM

Steuersignal

R

Widerstand

TRIGGER

Triggersignal

T

Periodendauer

T

Endstufe

T_EIN

Einschaltdauer

T_AUS

Ausschaltdauer

VCV

Volumenstromregelventil

VB

Batteriespannung

W

Analog/Digital-Wandler

α_SOLL

Soll-Wert

Δt

Phasenverschiebung

Claims

Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds (VCV), nämlich eines Volumenstromregelventils in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: a) Vorgabe eines Soll-Werts (α_SOLL) für eine Stellgröße des Stellglieds (VCV), b) Ansteuerung des Stellglieds (VCV) mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (PWM) mit einem bestimmten Tastverhältnis (T_EIN/T_AUS) und einer bestimmten Periodendauer (T), wobei ein Strom (I) durch das Stellglied (VCV) bei einem aktiven Pegel des Steuersignals (PWM) angeschaltet wird, wohingegen der Strom (I) durch das Stellglied (VCV) bei einem inaktiven Pegel des Steuersignals (PWM) abgeschaltet wird, c) Strommessung des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) als Regelgröße, wobei der durch das Stellglied (VCV) fließende Strom (I) einen Ist-Wert der Stellgröße wiedergibt, d) Regelung des Steuersignals (PWM) für das Stellglied (VCV) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom (I) zur Minimierung einer Soll-Ist-Abweichung zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (α_SOLL) und dem Ist-Wert der Stellgröße, e) Triggerung der Strommessung in zeitlicher Synchronisation mit dem Steuersignal (PWM) für das Stellglied (VCV), dadurch gekennzeichnet, f) dass die Strommessung jeweils um eine vorgegebene Phasenverschiebung (Δt) zeitlich vor dem Abschalten des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) erfolgt, und g) dass die Phasenverschiebung (Δt) zwischen der Strommessung und der Stromabschaltung im Mikrosekundenbereich liegt, und h) dass das Tastverhältnis des pulsweiten modulierten Steuersignals (PWM) in der auf die Strommessung unmittelbar folgenden Periode des pulsweiten modulierten Steuersignals (PWM) nachgeregelt wird.
Regelverfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Erzeugung eines Triggersignals (TRIGGER), das in seinem zeitlichen Verlauf ein Triggerereignis aufweist, das die Strommessung triggert, wobei zwischen dem Triggerereignis und der Abschaltung des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) die Phasenverschiebung (Δt) liegt.
Regelverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggerereignis eine steigende oder fallende Flanke des Triggersignals ist.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermittlung des zeitlichen Mittelwerts des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) als Regelgröße, b) Regelung des Steuersignals (PWM) für das Stellglied (VCV) in Abhängigkeit von dem Mittelwert des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I).
Regelverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Mittelwert des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) in jeder Periode des Steuersignals (PWM) gebildet wird, und b) das Steuersignal (PWM) diskontinuierlich von Periode zu Periode in Abhängigkeit von dem aktuell bestimmten Mittelwert des Stroms (I) nachgeregelt wird.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Pegel des Steuersignals (PWM) ein Low-Pegel ist, während der inaktive Pegel des Steuersignals (PWM) ein High-Pegel ist.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (VCV) über eine Endstufe (T) von dem Steuersignal (PWM) angesteuert wird.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung mittels eines triggerbaren Analog/Digital-Wandlers (W) erfolgt.
Computerprogrammprodukt, welches das Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt, wenn es in einen Steuerrechner geladen ist und auf dem Steuerrechner abläuft.
Steuerrechner für eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Programmspeicher, in den ein Computerprogramm geladen ist, welches das Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.