Im
Bereich des Motormanagements für
Benzin- und Dieselmotoren werden oft Komponenten eingesetzt, die
eine induktive Last darstellen, beispielsweise Mengensteuerventile
von Hochdruckpumpen oder Einspritzventile. Die Ansteuerung dieser
Komponenten erfolgt typischerweise über eine einfache Schaltendstufe.
Durch
Schwankungen in der Bordnetzspannung ergibt sich ein unterschiedliches
Verhalten der Komponenten, je nach aktuell verfügbarer Bordnetzspannung. Insbesondere ändert sich
dadurch das Zumessverhalten von Ventilen, insbesondere von Einspritzventilen.
Veränderungen
im Zumessverhalten, die durch Schwankungen der Bordnetzspannung verursacht
werden, können
kompensiert werden, indem beispielsweise die Ansteuerzeiten der
betroffenen Komponenten entsprechend verlängert oder verkürzt werden.
Da jedoch das Zumessverhalten nicht zwangsläufig linear von der Bordnetzspannung
abhängt,
gestaltet sich eine derartige Kompensation aufwändig.
Ferner
besteht die Gefahr, dass bei sehr hohen Spannungen der Strom so
hoch ansteigt, dass die Belastung der Komponenten unzulässig groß wird,
sodass die Komponente oberhalb einer be stimmten Spannung abgeschaltet
werden muss. Dies führt
zu unerwünschten
Einschränkungen
der Funktionalität
des Gesamtsystems.
Um
die Strombelastungen einer Komponente zu reduzieren, besteht teilweise
die Möglichkeit
die Schaltzeit zu verkürzen.
Hier besteht jedoch das Risiko, dass bei allzu kurzen Schaltzeiten
ein sicheres Öffnen
bzw. Schließen
eines Ventils nicht mehr gegeben ist.
Aus
der
DE 4444810 A1 ist
eine Steuerschaltung bekannt, bei der ein Gebläseantriebsmotor mit einem Pulsbreitenmodulations-Signal
(PWM-Signal) angesteuert wird, wobei das Tastverhältnis des PWM-Signals
von einer einstellbaren Soll-Drehzahl abhängt. Weicht die Drehzahl, beispielsweise
durch variierende elektrische Spannungen, von der Solldrehzahl ab,
wird über
eine Steuerschaltung durch Verändern
des Tastverhältnisses
des PWM-Signals die Drehzahl auf die Soll-Drehzahl zurückgeführt.
Vorteile der
Erfindung
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer induktiven Last mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat
demgegenüber
den Vorteil, dass der Stromanstieg in der induktiven Last durch
Auswählen
von Puls-Längen
und Puls-Pausen der elektrischen Spannung zu beeinflussen ist. Dieses
Vorgehen ermöglicht
es in vorteilhafter Weise den zeitlichen Verlauf des Stromanstieges
in vielfältiger
Weise zu gestalten und den jeweiligen Erfordernissen anzupassen.
Insbesondere ist es möglich,
die Höhe
des Stromanstiegs zu begrenzen und somit die induktive Last vor
Zerstörung
bedingt durch einen zu hohen Stroms zu schützen. So ist in vorteilhafter
Weise auch ein Betrieb in höheren
Spannungsbereichen möglich,
die auf Grund des zu erwartenden hohen Stromanstieges bislang nicht
zugänglich
waren.
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders
vorteilhaft ist es, den Stromanstieg in der induktiven Last erst
dann zu beeinflussen, wenn die Höhe
der elektrischen Spannung eine Normalspannung übersteigt.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird durch geeignete Wahl der Puls-Längen
und Puls-Pausen einer gepulsten Spannung ein Stromanstieg nachgebildet,
der im We sentlichen einem Stromanstieg entspricht, der sich in charakteristischer
Weise beim Anlegen einer Normalspannung an die induktive Last einstellt.
Durch ein derartiges Vorgehen ist es möglich die induktive Last bzw.
Komponente in vorteilhafte Weise nur für einen Betrieb bei Normalspannung
auszulegen, da bei allen anderen Spannungen der Stromanstieg entsprechend
angepasst wird und die Komponente vor Zerstörung geschützt ist.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Stellvorrichtung mit einer induktiven Last vorgesehen,
die mit elektrischen Spannungen unterschiedlicher Höhe betrieben
wird und der Stromanstieg in der induktiven Last durch Auswählen von Puls-Längen und
Puls-Pausen der elektrischen Spannung beeinflusst wird.
In
einer weiteren Ausgestaltung ist als Stellvorrichtung ein Mengensteuerventil
vorgesehen, wobei in vorteilhafter Weise die Dauer einer Bestromung derart
lang erfolgt, dass das Mengensteuerventil sicher schließt bzw. öffnet.
In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Steuergerät zum Betreiben
mindestens einer Stellvorrichtung mit einer induktiven Last vorgesehen,
die mit elektrischen Spannungen unterschiedlicher Höhe betrieben
wird und der Stromanstieg in der induktiven Last durch Auswählen von
Puls-Längen und
Puls-Pausen der elektrischen Spannung beeinflusst wird.
In
vorteilhafter Weise sind in einem Speichermedium des Steuergerätes für unterschiedliche Spannungen
Kenngrößen für die Erzeugung
der Spannungspulse abgelegt.
In
weiterer vorteilhafter Weise ist ein Steuerelement vorgesehen, das
in einem Speicher ein Programm enthält, das insbesondere auf einem
Mikroprozessor ablauffähig
ist und zu Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist.
Zeichnung
Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfas sung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
Es
zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild
einer erfindungsgemäßen Anordnung;
2 ein Strom- und Spannungs-Zeitdiagramm
bei Vorliegen einer Normalspannung;
3 ein Strom- und Spannungs-Zeitdiagramm
bei Vorliegen einer Spannung oberhalb einer Normalspannung;
4 ein Strom- und Spannungs-Zeitdiagramm
bei Vorliegen einer Spannung oberhalb einer Normalspannung und kurzer
Einschaltdauer;
5 ein Strom- und Spannungs-Zeitdiagramm
bei Vorliegen einer gepulsten Spannung.
Beschreibung
1 zeigt ein Prinzipschaltbild
einer erfindungsgemäßen Anordnung
mit einer induktiven Last einer Stellvorrichtung 1, einem
Steuergerät 100 und einer
Endstufe 200. Über
einen Analog/Digital-Wandler 110 werden Strom I und Spannung
U der Stellvorrichtung 1 erfasst und an einem Mikroprozessor 120 mit
einem Steuerelement 130 weitergegeben. Nach Auswertung
von Strom und Spannung leitet der Mikroprozessor 120 geeignete
Kenngrößen an einen Modulator 140 weiter.
Geeignete Kenngrößen werden
je nach Ausführungsform
entweder direkt aus entweder aus einem oder mehreren gemessenen Werten
ermittelt oder es sind geeignete Kenngrößen im Steuerelement 130 abgespeichert
bzw. in einem sogenannten Kennfeld hinterlegt. Für eine vorliegende Spannung
wird dann die korrespondierenden Kenngrößen aus einem Kennfeld ausgelesen.
Der Modulator 140 erzeugt anhand der Kenngrößen beispielsweise
durch Pulsbreitenmodulation ein gepulstes Signal, mit dem eine Endstufe 200 gesteuert
wird. In der Endstufe 200 wird im Wesentlichen über ein Schaltmittel 210 der
Stromkreis über
die Stellvorrichtung 1 gemäß des anliegenden gepulsten
Signals geöffnet
oder geschlossen. Über
eine Freilaufdiode 220 wird die beim Öffnen des Schaltmittels 210 induzierte Spannung
kurzgeschlossen.
Die
2 zeigt den zeitlichen Verlauf
von Strom und Spannung beim Schalten einer induktiven Last. Beim
Unterspannungserzen der induktiven Last steigt der Strom I
N,ein in einer für eine Induktivität charakteristischen
Weise an. Nach Abschalten der Spannung U
N wird
die induziere Spannung beispielsweise über einer Freilaufdiode gelöscht und
der Strom I
N,aus fällt exponentiell ab. Im dargestellten
Fall wird für
die Dauer von 5 ms eine Spannung U
N von
12 Volt an die in duktive Last angelegt. Abhängig vom elektrischen Widerstand
und der vorliegenden Induktivität
ergibt sich ein charakteristischer Stromanstieg I
N,ein,
der im dargestellten Fall nach 5 ms einen Spitzenstrom von ca. 23
Ampere erreicht. Bei gleichbleibenden Bedingungen – Widerstand,
Temperaturen etc. – erfolgt
der Stromanstieg I
N,ein bei Anlegen der
gleichen Spannung U
N immer in der gleichen
charakteristischen Weise. Es gilt:
mit U = Spannung, R = Widerstand,
t = Zeit, L = Induktivität
Bei
sonst gleichen Bedingungen stellt sich bei einer höheren Spannung
U2 folglich ein steilerer Stromanstieg I2,ein ein. Der 3 ist
zu entnehmen, dass bei einer Ansteuerung mit 18 Volt und gleicher Ansteuerdauer
der Stromanstieg I2,ein rascher als bei 12
Volt erfolgt und ein maximaler Strom von ca. 35 Ampere erreicht
wird. Um eine Zerstörung
der Komponente durch zu hohen Strom zu vermeiden, wird standardmäßig bei Überschreiten
einer bestimmten Spannung bzw. Stroms die Komponente abgeschaltet.
Alternativ
kann, wie in 4 dargestellt,
die Ansteuerdauer verkürzt
werden. Der bei 12 Volt nach 5 ms vorliegende Spitzenstrom IN,ein von ca. 23 Ampere wird bei ein Spannung
U3 von 18 Volt bereits nach ca. 1,8 Sekunden
erreicht. Durch eine derartige Maßnahme ist die Komponente zwar
vor zu hohen Strombelastungen geschützt, es ist jedoch fraglich, ob
eine sichere Funktionalität
der Komponente, insbesondere bei sehr kurzen Ansteuerzeiten, noch
gewährleistet
ist. Wird beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil nur sehr
kurz angesteuert, so kann die Energieübertragung auf den Anker des
Ventils so gering sein, dass ein sicheres Öffnen bzw. Schließen nicht
mehr möglich
ist.
Die 5 zeigt den zeitlichen Verlauf
von Strom Ip,ein und Spannung Up einer
erfindungsgemäßen Stellvorrichtung
bei einer Spannung Up von 18 Volt, die größer ist
als eine festgelegte Normalspannung UN.
Die Normalspannung UN kann frei definiert werden
und beträgt
im betrachteten Ausführungsbeispiel
12 Volt. Der sich zu dieser Normalspannung UN charakteristisch
einstellende Stromanstieg ist wie beschriebenen bekannt und definiert
einen Normalstromanstieg IN,ein. Um eine
gleichbleibenden Funktionalität
einer Komponente bei unterschiedlichen Spannungen sicherzustellen,
wird erfindungsgemäß bei Spannungen
Up, die höher sind als die Normalspannung
UN, die Spannung Up gepulst.
Solange ein Spannungspuls anliegt steigt der Strom Ip,ein entsprechend
der anliegenden Spannung Up an. Während eines
Pausentaktes nimmt der Strom Ip,ein entsprechend
ab. Die Puls-Längen
und Puls-Pausen der gepulsten Spannung Up sind
so zu wählen,
dass der Stromverlauf Ip,ein im Mittel im
Wesentlichen dem Normalstromanstieg IN,ein entspricht.
Der Strom Ip,ein schwankt hierbei um den
Normalstromanstieg IN,ein um eine Schwankungsbreite ΔI.
Es
gilt: Ip,ein(ti)∈[IN,ein(ti) ± ΔI)
D.h.
für jeden
Zeitpunkt t; befindet sich der Strom Ip,ein(ti) in einem Intervall, dass durch den Strom IN,ein eines Normalstromanstieges zum Zeitpunkt
ti und eine tolerierbare Schwankungsbreite ΔI des Stromes
vorgegeben ist. Mit zunehmender Taktfrequenz der gepulsten Spannung
Up oder einer schnellen Regelung nimmt die
Schwankungsbreite ΔI
ab.
Gemäß dieser
Vorgabe ist es in einem Ausführungsbeispiel
vorgesehen, ein Ist-Strom zu messen und mit dem Soll-Strom, der
gemäß des Normalstromanstiegs
IN,ein(ti) zu dem
Messzeitpunkt ti vorliegen sollte, zu vergleichen.
Liegt der Ist-Strom oberhalb des Soll-Stromes wird der Spannungspuls
ausgeschaltet, fällt
der Ist-Strom unter den Wert des Soll-Stromes wird die Spannung
wieder eingeschaltet. Durch Einführung
bspw. geeigneter Schwellenwerte für die Spannungstaktung oder
geeigneter Regelungsmechanismen wird sichergestellt, dass der Stromverlauf
Ip,ein innerhalb des tolerierten Stromintervalls
bleibt. Eine derartige Regelung kann beispielsweise in eine typische
Pulsbreitenmodulation (PWM) einfließen, wobei ein Steuergerät ein modifiziertes
PWM-Signal an eine Endstufe weitergibt, über die dann eine entsprechende
Komponente angesteuert wird. Durch ein derartiges Vorgehen wird aus
der geschalteten Endstufe eine stromgesteuerte Endstufe.
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind für
die unterschiedlichen Spannungen in einem Steuerelement – bspw.
einem Read-Only-Memory-(ROM)-Baustein – geeignete Kenngrößen in einem
Kennfeld abgelegt, so dass für
eine vorliegende Spannung entsprechende Kenngrößen abgerufen werden können, um
ein geeignetes Ansteuersignal für
die Bestromung einer Komponente bereit zu stellen.
Darüber hinaus
ist es denkbar, die Temperaturabhängigkeit der Komponente zu
berücksichtigen, indem
beispielsweise der Temperatureinfluss modelliert oder gemessen wird
und entsprechende Korrekturgrößen in einem
Kennfeld abgelegt werden. Bei der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen stromgesteuerten
Endstufe ist die Temperaturkompensation bereits implizit vorhanden.
Da der Ist-Strom durch die Regelung immer auf den temperaturunabhängigen Soll-Strom
eingestellt wird, spielt eine temperaturbedingte Änderung
des Ist-Stroms keine Rolle.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat weiterhin den Vorteil, dass beispielsweise ein Mengensteuerventil
auch bei hohen Spannungen, die beispielsweise bei einem Boosterstart
auftreten, durch eine entsprechende Ansteuerung der PWM betrieben
werden kann. Weiterhin verbessert sich durch die reproduzierbare
Ansteuerung der Komponenten beispielsweise das Schließ- bzw. Öffnungsverhalten. Bei
entsprechender Ansteuerung eines Mengensteuerventils lässt sich
so der Raildruck besser regeln.
Weiterhin
ist es denkbar, eine gepulste Spannung – bspw. in Pulsbreitenmodulation – nur für bestimmte
Spannungsbereiche beispielsweise 6–24 Volt oder nur bei Spannungen über 12 Volt
als Schutzfunktion vorzusehen.
In
einer weiteren Ausgestaltungen ist die Normalspannung bzw. der Normalstromanstieg
so festgelegt, dass die Komponente in einem optimalen Betriebsbereich
arbeitet, typischerweise ist dies die Mindestspannung im Normalbetrieb.
Weiterhin können
die Komponente, insbesondere der Magnetkreis und die Spulen, optimal
auf eine Betriebstemperatur ausgelegt werden.
Weiterhin
ist von Vorteil, dass mit den erfindungsgemäßen Verfahren eine unerwünschte Schaltzeitverlängerung
der Komponente, insbesondere einer Komponente mit Freilauf-Diode
vermieden wird.
Durch
das erfindungsgemäße Vorgehen, dass
bei Unterspannungsetzen einer Komponente ein charakteristischer
und reproduzierbarer Stromanstieg sichergestellt wird, ergeben sich
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. Durch den reproduzierbaren
Stromanstieg wird beispielsweise die Zumessgenauigkeit von Einspritzventilen
erhöht.
Eine aufwändige
Applikation des nichtlinearen Verhaltens aufgrund unterschiedlicher
Ansteuerung der Komponenten entfällt.
Der Betriebsbereich der Komponenten kann deutlich erweitert werden,
bspw. Booster-Betrieb. Darüber
hinaus werden größere Freiheiten
im Design der Komponenten gewonnen. Gegenüber einer unkompensierten Ansteuerung
ist die Verlustleistung gering und es stellt sich eine entsprechend
geringere Wärmeentwicklung
ein. Durch die Strombegrenzung ergibt sich zudem ein Schutz der Komponenten
und der Peripherie, bspw. Leiterbahnen, Steckverbindungen, Kabel
etc.
Weiterhin
wird eine unerwünschte
Schaltzeitverlängerung
der Komponente, insbesondere einer Komponente mit Freilauf-Diode,
zu höheren Spannungen
vermieden. Ohne ein erfindungsgemäßes Vorgehen wird bei höheren Spannungen
bedingt durch den höheren
Strom mehr magnetische Energie in der Induktivität der Komponente gespeichert
als bei geringeren Spannungen. Beim Abschalten der Komponente verlängert sich
die Löschzeit
entsprechend. So kann zwar bei höheren
Spannungen die Anzugszeit in bestimmten Grenzen verkürzt werden, aber
insgesamt wird die Schaltzeit als Summe von Anzugszeit und Löschzeit
länger.
Stromerhöhungen können jedoch
nicht nur durch höhere
Spannungen, sondern auch durch einen sich verändernden ohmschen Widerstand
der Komponente bedingt sein. Der ohmschen Widerstand ist temperaturabhängig und
fällt typischerweise mit
abnehmender Temperatur. Liegt beispielsweise die Temperatur einer
Komponente bei Inbetriebnahme unterhalb der Betriebstemperatur,
so wird ohne ein erfindungsgemäßes Vorgehen,
der Stromanstieg aufgrund des geringeren Widerstands rascher erfolgen.
Der höhere
Maximalstrom führt
jedoch zu insgesamt längeren
Schaltzeiten. Durch die erfindungsgemäße Stromanpassung werden solche
temperaturabhängigen
Schaltzeitänderungen
vermieden.
In
einer weiteren Ausgestaltung wird innerhalb einer Schaltperiode
der Komponente mit unterschiedlichen PWM-Signalen und damit unterschiedlichen
Stromstärken
gearbeitet. Beim Anziehen der Komponente wird eine hohe Stromstärke vorgehalten
und beim Halten eine geringere.
In
einer weiteren Ausgestaltung ist es denkbar den zeitlichen Verlauf
des Stromanstieg beim Einschalten der induktiven Last in beliebiger
Weise zu beeinflussen. Beispielsweise den Strom zuerst rasch ansteigen
zu lassen und dann in einen geringen oder konstanten Stromanstieg überzugehen. Durch
die unterschiedliche Wahl und Gestaltung der Puls-Längen und
Puls- Pausen der
elektrischen Spannung sowie auch der Frequenz, der Amplitude und
auch der Form der Pulse ergeben sich vielfältige Möglichkeiten den Stromanstieg
zu beeinflussen.
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel,
wird beim Start einer Brennkraftmaschine ein Mengensteuerventil
angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt typischerweise über eine
längere
Zeit, wobei das Mengensteuerventil entsprechend thermisch hoch belastet
wird. Beim stromlosoffenen Konzept muss das Mengensteuerventil zur
Realisierung des Hochdruckstarts in der Brennkraftmaschine während der
ganzen Startphase bestromt werden. Zum Schließen des Mengensteuerventils
wird eine relativ hohe Stromstärke
benötigt.
Anschließend
kann zum Halten des Mengensteuerventils die Stromstärke abgesenkt werden,
wobei einerseits die thermische Belastung des Mengensteuerventils
deutlich geringer ist und andererseits weniger Energie benötigt wird.
Denkbar
ist es auch, das Mengensteuerventil vor dem Betätigen des Anlassers der Brennkraftmaschine
zu bestromen, wenn die Batteriespannung beispielsweise bei sehr
tiefen Temperaturen niedrig ist. Vor dem Betätigen des Anlassers ist die
zur Verfügung
stehende Batteriespannung immer noch größer (z. B. 8 Volt) als während der
Betätigung
des Anlassers (z. B. 6 Volt). Während
der Betätigung
des Anlassers wäre
das Mengensteuerventil bereits angezogen und die zum Halten des
Mengensteuerventils notwendige Spannung wäre geringer (z. B. 4 Volt).