DE102011087521A1

DE102011087521A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors

Info

Publication number: DE102011087521A1
Application number: DE201110087521
Authority: DE
Inventors: Klaus Schwarze; Oliver Kopp; Klaus-Dieter Neiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (100), insbesondere eines Einspritzventils, bei dem eine, vorzugsweise elektrische, Betriebsgröße (U), die einen durch den elektromagnetischen Aktor (100) fließenden Strom (I) charakterisiert, durch eine Auswerteeinrichtung (200) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße (U) und/oder eine von der Betriebsgröße (U) abgeleitete Größe mittels eines Delta-Sigma-Wandlers (210) in ein Digitalsignal (Ds) umgewandelt (300) wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors, insbesondere eines Einspritzventils, bei dem eine, vorzugsweise elektrische, Betriebsgröße, die einen durch den elektromagnetischen Aktor fließenden Strom charakterisiert, durch eine Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung für ein derartiges Verfahren.
Aus der DE 43 08 811 A1 ist bereits ein derartiges Verfahren beziehungsweise eine entsprechende Vorrichtung bekannt. Das bekannte Verfahren erfordert eine aufwendige Signalerfassung und -verarbeitung.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine effizientere und kostengünstigere Signalverarbeitung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Betriebsgröße und/oder eine von der Betriebsgröße abgeleitete Größe mittels eines Delta-Sigma-Wandlers in ein Digitalsignal umgewandelt wird. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Verwendung des Delta-Sigma-Analog/Digital-Wandlers, der die Betriebsgröße beziehungsweise eine von der Betriebsgröße abgeleitete Größe von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umwandelt, sehr vorteilhaft ist, weil der Delta-Sigma-Wandler im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen nicht notwendig eine Konditionierung der umzuwandelnden Größe, vorliegend also der Betriebsgröße oder einer daraus abgeleiteten Größe, erfordert, was seither üblicherweise durch analoge Schaltungstechnik bewerkstelligt wird. Dadurch kann erfindungsgemäß vorteilhaft auf unnötige Analogschaltungen zur Signalkonditionierung verzichtet werden. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Delta-Sigma-Wandler vorteilhaft direkt die Betriebsgröße von dem Aktor bzw. einer zur Ansteuerung des Aktors vorgesehenen Schaltung abgreifen, beispielsweise durch eine Spannungsmessung einer elektrischen Spannung, die an einem Messwiderstand abfällt, der in Serie zu dem elektromagnetischen Aktor beziehungsweise einer Magnetspule hiervon geschaltet ist. Zwischen dem Delta-Sigma-Wandler der vorliegenden Erfindung und der elektrischen Schaltung, welche die Betriebsgröße liefert, ist demnach vorteilhaft keine weitere Signalumsetzung beziehungsweise Aufbereitung erforderlich, wodurch vorteilhaft auf analoge Schaltungskomponenten verzichtet werden kann. Vielmehr ermöglicht der erfindungsgemäße Delta-Sigma-Wandler direkt einen Übergang der Betriebsgröße aus der analogen Domäne in die digitale Domäne, wodurch eine weitere Verarbeitung der Betriebsgröße in Form einer Digitalgröße wesentlich vereinfacht wird. Hierdurch reduzieren sich einerseits Herstellungskosten für ein erfindungsgemäßes System, weil auf aufwändige Analogschaltungskomponenten verzichtet werden kann, andererseits ist die volle Flexibilität von Digitalschaltungen für die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß umgewandelten Signals beziehungsweise der Betriebsgröße einsetzbar.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Digitalsignal einer digitalen Filtereinrichtung zugeführt wird, um ein gefiltertes Digitalsignal zu erhalten. Die erfindungsgemäße digitale Filterung ermöglicht vorteilhaft eine auf den entsprechenden Anwendungszweck spezialisierte Filterung des Signals, beispielsweise mit dem Ziel, bestimmte Merkmale des Signals auszuwerten (z.B. Auffinden von Knicken in einem Zeitverlauf des Signals und dergleichen). Besonders vorteilhaft kann die digitale Filtereinrichtung beispielsweise in Form einer funktionalen Einheit einer Recheneinheit, wie beispielsweise eines Mikrocontrollers oder eines digitalen Signalprozessors (DSP) oder dergleichen realisiert sein. Insbesondere ist die digitale Filtereinrichtung auch in Software oder Firmware realisierbar, z.B. durch eine entsprechende Programmierung des DSP bzw. eines programmierbaren Logikbausteins (FPGA).
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die digitale Filtereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Abtastratenkonvertierung, insbesondere Dezimation, des Digitalsignals auszuführen, wodurch eine Datenrate beziehungsweise Abtastrate des Digitalsignals an eine nachfolgende Auswertevorrichtung beziehungsweise einen entsprechenden Algorithmus anpassbar ist. Insbesondere kann durch die Reduktion der Abtastrate vorteilhaft eine zu verarbeitende Datenmenge je Zeit reduziert werden, wodurch sich eine nachfolgende Auswertung weiter vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist einer weiteren Ausführungsform zufolge die Filtereinrichtung als cascaded integrator comb, CIC, Filter ausgebildet, wodurch sich eine wenig aufwändige und gleichzeitig effiziente Abtastratenkonvertierung ergibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anzahl von Filterstufen des CIC-Filters mindestens um Eins größer als eine Ordnung des Delta-Sigma-Wandlers.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das gefilterte Digitalsignal mittels einer zweiten Filtereinrichtung gefiltert wird, wobei die zweite Filtereinrichtung insbesondere eine rauschoptimierte Filterung ausführt, um ein weiter gefiltertes Digitalsignal zu erhalten. Bei der weiteren Filtereinrichtung kann es sich bevorzugt um einen FIR (Finite Impuls Response)-Filter handeln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Digitalsignal und/oder ein daraus abgeleitetes Signal, insbesondere das gefilterte Digitalsignal und/oder das weiter gefilterte Digitalsignal, ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Aktors zu schließen. Beispielsweise können vorgebbare Merkmale eines zeitlichen Verlaufs des Stroms durch den Aktor (z.B. Knicke im Zeitverlauf des Stroms) gesucht beziehungsweise ausgewertet werden, um Rückschlüsse auf einen Betriebszustand des Aktors beziehungsweise des den Aktor enthaltenden Systems (beispielsweise Magnetventil) zu erhalten.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors gemäß Patentanspruch 8 angegeben. Bei der Vorrichtung ist vorteilhaft vorgeschlagen, dass ein Delta-Sigma-Wandler zur Umwandlung der Betriebsgröße und/oder einer von der Betriebsgröße abgeleiteten Größe in ein Digitalsignal vorgesehen ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors 100. Bei dem Aktor 100 handelt es sich beispielsweise um einen Elektromagneten, dessen Magnetspule in 1 beispielhaft mit dem Bezugzeichen 100 bezeichnet ist. Der Aktor 100 dient beispielsweise dazu, ein oder mehrere Komponenten eines nicht abgebildeten Einspritzventils eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine zu betätigen.
In Serie zu der Magnetspule 100 ist ein Messwiderstand R geschaltet, bei dem es sich bevorzugt um einen verhältnismäßig niederohmigen Ohmwiderstand handelt. Ein Spannungsabfall U über dem Messwiderstand R ist in an sich bekannter Weise proportional zu dem durch die Serienschaltung der Komponenten R, 100 fließenden Strom I und enthält somit Informationen über den Strom I. Ein in 1 nicht näher bezeichneter Schalter symbolisiert eine Ansteuerung des Aktors 100. Der Schalter kann beispielsweise den in 1 oberen Anschluss des Serienwiderstands R mit einem Bezugsspannungspotential, beispielsweise einer Kraftfahrzeugbordnetzspannung, verbinden oder hiervon trennen, wobei die zeitliche Steuerung der Schaltzustände des Schalters durch ein Steuergerät für den Aktor 100 erfolgt.
Erfindungsgemäß ist ein Delta-Sigma-Wandler 210 vorgesehen, um die Spannung U, die eine Analoggröße ist, in eine Digitalgröße, nämlich das Digitalsignal Ds, umzuwandeln. Dies ermöglicht vorteilhaft eine rein digitale Weiterverarbeitung der Spannung U, beispielsweise zum Zwecke der Auswertung des durch den Aktor 100 fließenden Stroms. Der Delta-Sigma-Wandler 210 ist dementsprechend vorliegend Teil einer digitalen Auswerteeinrichtung 200.
Dem Delta-Sigma-Wandler 210 nachgeschaltet ist eine digitale Filtereinrichtung 220, welche das durch den Delta-Sigma-Wandler 210 erhaltene Digitalsignal Ds in ein gefiltertes Digitalsignal Df1 transformiert. Bei der Filtereinrichtung 220 kann es sich vorteilhaft beispielsweise um einen FIR (Finite Impuls Response)-Filter handeln.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Filtereinrichtung 220 dazu ausgebildet, eine Abtastratenkonvertierung, insbesondere Dezimation (Herabsetzung der Abtastrate), des Digitalsignals Ds auszuführen, so dass das gefilterte Digitalsignal Df1, wie es am Ausgang der Filtereinrichtung 220 erhalten wird, eine geringere Abtastrate aufweist als das von dem Delta-Sigma-Wandler 210 gelieferte Digitalsignal Ds.
Durch eine Herabsetzung der Abtastrate für das gefilterte Digitalsignal Df1 kann die Abtastrate bevorzugt an die nachgeordnete Auswertung des gefilterten Digitalsignals Df1 angepasst werden.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Filtereinrichtung 220 als cascaded integrator comb, CIC, filter ausgebildet. Vorliegend ist die Filtereinrichtung 220 als zweistufiges CIC-Filter zur Abtastratenherabsetzung (Dezimation) ausgebildet.
An dem Ausgang des CIC-Filters 220 wird, wie bereits erwähnt, das gefilterte Digitalsignal Df1 erhalten. Das gefilterte Digitalsignal Df1 wird einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zufolge einer zweiten Filtereinrichtung 230 zugeführt, bei der es sich wiederum um einen FIR-Filter handeln kann. Beispielsweise kann die zweite Filtereinrichtung 230 eine rauschoptimierte Filterung ausführen, um an ihrem Ausgang ein weiter gefiltertes Digitalsignal Df2 auszugeben.
Eine dem zweiten Filter 230 nachgeordnete weitere Signalverarbeitung beziehungsweise -auswertung ist durch den Funktionsblock 240 angedeutet. Dieser Funktionsblock 240 kann beispielsweise das Auffinden von Merkmalen in dem zeitlichen Verlauf des weiter gefilterten Digitalsignals Df2 umfassen, beispielsweise das Auffinden von Knicken und vergleichbaren Merkmalen, woraus vorteilhaft auf einen Betriebszustand beziehungsweise Betriebszustandsänderungen des Aktors 100 geschlossen werden kann.
Generell ermöglicht die erfindungsgemäße Konfiguration, insbesondere die Verwendung des Delta-Sigma-Wandlers 210, eine ausschließlich digitale Weiterverarbeitung der Betriebsgröße U in Form des Digitalsignals Ds bzw. der weiteren Digitalgrößen Df1, Df2. Besonders vorteilhaft können die Komponenten 220, 230, 240 beispielsweise in entsprechenden Funktionsblöcken einer Recheneinheit (zum Beispiel Mikrocontroller oder digitaler Signalprozessor (DSP)) integriert sein, also im Wesentlichen mittels Software implementiert sein, welche ein oder mehrere Computerprogramme enthält, die auf den vorstehend genannten Recheneinheiten ablauffähig sind. Alternativ oder ergänzend ist eine Realisierung der Funktionalität der Komponenten 210, 220, 230, 240 auch in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder in einem programmierbaren Logikbaustein (FPGA, field programmable gate array) denkbar.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist besonders vorteilhaft eine Anzahl von Filterstufen des CIC-Filters 220 mindestens um Eins größer als die Ordnung des Delta-Sigma-Wandlers 210.
2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 300 wird die Betriebsgröße U beziehungsweise eine von der Betriebsgröße U abgeleitete Größe mittels des Delta-Sigma-Wandlers 210 (1) in ein Digitalsignal Ds umgewandelt.
Bei der von der Betriebsgröße U abgeleiteten Größe kann es sich um eine analog gefilterte Betriebsgröße U oder dergleichen handeln, welche mittels einfacher Analogschaltungen (nicht gezeigt) aus der Betriebsgröße U zu erhalten sind.
In einem nachfolgenden Schritt 310 (2) wird das Digitalsignal Ds und/oder ein daraus abgeleitetes Signal, insbesondere das gefilterte Digitalsignal Df1 (1) und/oder das weiter gefilterte Digitalsignal Df2, ausgewertet, um auf einen Betriebszustand des Aktors 100 beziehungsweise eine Betriebszustandsänderung oder dergleichen zu schließen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen vorteilhaft eine rein digitale Signalkette bereits ab dem Wandler 210 (1). Die gesamte Auswertung der Betriebsgröße U kann erfindungsgemäß vorteilhaft in der digitalen Domäne erfolgen, beispielsweise mittels einer entsprechenden Recheneinheit eines Steuergeräts zur Ansteuerung des Aktors 100.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Datenrate an dem Ausgang des Wandlers 210 etwa 1 MHz bzw. 1 Millionen Abtastwerte je Sekunde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4308811 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (100), insbesondere eines Einspritzventils, bei dem eine, vorzugsweise elektrische, Betriebsgröße (U), die einen durch den elektromagnetischen Aktor (100) fließenden Strom (I) charakterisiert, durch eine Auswerteeinrichtung (200) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße (U) und/oder eine von der Betriebsgröße (U) abgeleitete Größe mittels eines Delta-Sigma-Wandlers (210) in ein Digitalsignal (Ds) umgewandelt (300) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Digitalsignal (Ds) einer digitalen Filtereinrichtung (220) zugeführt wird, um ein gefiltertes Digitalsignal (Df1) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die digitale Filtereinrichtung (220) dazu ausgebildet ist, eine Abtastratenkonvertierung, insbesondere Dezimation, des Digitalsignals (Ds) auszuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3 wobei die Filtereinrichtung (220) als cascaded integrator comb, CIC, filter ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Anzahl von Filterstufen des CIC-Filters (220) mindestens um eins größer ist als eine Ordnung des Delta-Sigma-Wandlers (210).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das gefilterte Digitalsignal (Df1) mittels einer zweiten Filtereinrichtung (230) gefiltert wird, wobei die zweite Filtereinrichtung (230) insbesondere eine rauschoptimierte Filterung ausführt, um ein weiter gefiltertes Digitalsignal (Df2) zu erhalten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Digitalsignal (Ds) und/oder ein daraus abgeleitetes Signal, insbesondere das gefilterte Digitalsignal (Df1) und/oder das weiter gefilterte Digitalsignal (Df2), ausgewertet (310) wird, um auf einen Betriebszustand des Aktors (100) zu schließen.
Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (100), insbesondere eines Einspritzventils, bei der eine Auswerteeinrichtung (200) zur Auswertung einer, vorzugsweise elektrischen, Betriebsgröße (U), die einen durch den elektromagnetischen Aktor (100) fließenden Strom (I) charakterisiert, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Delta-Sigma-Wandler (210) zur Umwandlung der Betriebsgröße (U) und/oder einer von der Betriebsgröße (U) abgeleiteten Größe in ein Digitalsignal (Ds) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine digitale Filtereinrichtung (220) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, eine Abtastratenkonvertierung, insbesondere Dezimation, des Digitalsignals (Ds) auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Filtereinrichtung (220) als cascaded integrator comb, CIC, filter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine Anzahl von Filterstufen des CIC-Filters (220) mindestens um eins größer ist als eine Ordnung des Delta-Sigma-Wandlers (210).