DE69800081T2

DE69800081T2 - Current regulator for an inductive load

Info

Publication number: DE69800081T2
Application number: DE1998600081
Authority: DE
Inventors: Stephen Potter; Simon Turvey
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1998-07-21
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: GB9716220D0; EP0895264B1; EP0895264A1; DE69800081D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromregelung für eine induktive Last.The present invention relates to a current control for an inductive load.

Die Kraft, die von einem elektromechanischen Aktuator, in dem ein zyklisch schwankender Strom fließt, erzeugt wird, ist eine Funktion des mittleren Magnetflusses in dem Luftspalt des Aktuators, und steht daher in Beziehung zu dem mittleren Strom, der in der Aktuatorwicklung (oder den Aktuatorwicklungen) fließt. Um einen Aktuator so zu steuern, daß er eine bestimmte Kraft aufbringt, ist es daher vorteilhaft, das richtige Niveau des mittleren Stroms in der Wicklung (den Wicklungen) aufrechtzuerhalten, um eine zuverlässige Betätigung ohne übermäßigen Stromverbrauch zu erhalten.The force produced by an electromechanical actuator in which a cyclically varying current flows is a function of the average magnetic flux in the air gap of the actuator, and is therefore related to the average current flowing in the actuator winding (or windings). To control an actuator to apply a certain force, it is therefore advantageous to maintain the correct level of average current in the winding (or windings) to obtain reliable actuation without excessive power consumption.

Eine wirksame Betätigung von elektromechanischen Aktuatoren wird in herkömmlicher Weise durch Verwendung von Pulsbreitenmodulation (PBM) für die Spannungsversorgung des Aktuators erreicht. Dies erfordert, ein Schaltelement periodisch zu schließen, um zu bewirken, daß der Strom in der Wicklung (den Wicklungen) zunimmt, und dann den Schalter zu öffnen, um den Strom durch eine Umlaufdiode oder ein Umlaufelement fließen zu lassen, so daß der Strom abfällt, bis der nächste Impuls beginnt. Bei dieser Anordnung ist es bei herkömmlichen Regelschaltungen schwierig, den mittleren Stromfluß zu messen, da das erforderliche Stromfühlelement den Strom sowohl während der Stromanstiegs-, als auch während der Stromabfallperioden überwachen muß. Wenn die Umlaufdiode von der Wicklung getrennt ist, ist dies möglich, aber kompliziert, und es sind teure Analogschaltungselemente erforderlich, um die Überwachung auszuführen. Wenn die Umlaufdiode in die Wicklung eingebaut ist und keine getrennten Anschlüsse hat, ist die Strommessung sogar noch schwieriger.Efficient actuation of electromechanical actuators is conventionally achieved by using pulse width modulation (PWM) for the actuator power supply. This requires closing a switching element periodically to cause the current in the winding(s) to increase and then opening the switch to allow the current to flow through a circulating diode or element so that the current decreases until the next pulse begins. With this arrangement, it is difficult in conventional control circuits to measure the average current flow, since the required current sensing element must monitor the current during both the current increase and current decrease periods. If the circulating diode is separate from the winding, this is possible, but complicated and expensive analog circuit elements are required to perform the monitoring. If the circulating diode is built into the winding and has no separate terminals, the current measurement is even more difficult.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache, aber wirksame Regelung für den mittleren Strom zu verwirklichen, bei der die obenerwähnten Schwierigkeiten vermieden werden.It is therefore an object of the present invention to realize a simple but effective control for the average current, in which the above-mentioned difficulties are avoided.

Gemäß der Erfindung wird eine Stromregelung für eine induktive Last verwirklicht, aufweisend eine Schaltvorrichtung und ein Stromfühlelement, die in Serie zu der Last angeschlossen sind, einen Spannungskomparator, der mit dem Fühlelement verbunden ist, und ausgelegt ist, um zu wirken, wenn der Strom in dem Fühlelement gleich einem gewünschten mittleren Wert ist, und eine digitale Regelschaltung, die mit dem Spannungskomparator verbunden ist, um ein Eingangssignal von dem Spannungskomparator zu erhalten, und mit der Schaltvorrichtung verbunden ist, um den Leitungszustand der Schaltvorrichtung zu steuern, wobei die digitale Regelschaltung wirksam ist, um die Schaltvorrichtung periodisch einzuschalten, um die Dauer eines ersten Intervalls von dem Einschalten bis zu dem Augenblick des Betriebs des Spannungskomparators, in dem der Strom in der Last den gewünschten mittleren Wert erreicht, zu messen, und um das Schaltelement während eines zweiten Intervalls von einer Dauer, die als eine Funktion der Dauer des ersten Intervalls berechnet wird, in seinem eingeschalteten Zustand zu halten.According to the invention, a current control for an inductive load is realized, comprising a switching device and a current sensing element connected in series to the load, a voltage comparator connected to the sensing element and designed to operate when the current in the sensing element is equal to a desired average value, and a digital control circuit connected to the voltage comparator to receive an input signal from the voltage comparator and connected to the switching device to control the conduction state of the switching device, the digital control circuit being operative to periodically switch on the switching device, to measure the duration of a first interval from switch-on to the moment of operation of the voltage comparator in which the current in the load reaches the desired average value, and to maintain the switching element in its switched-on state during a second interval of a duration calculated as a function of the duration of the first interval.

Wenn die betreffenden Intervalle kurz sind im Vergleich zu den Zeitkonstanten für den Stromanstieg und den Stromabfall, können der Anstieg und der Abfall als im wesentlichen linear angesehen werden, so daß ein akzeptables Genauigkeitsniveau erhalten werden kann, wenn die Dauer des zweiten Intervalls auf der Basis der Dauer des ersten Intervalls berechnet wird.If the intervals in question are short compared to the time constants for the current rise and fall, the rise and fall can be considered to be essentially linear, so that an acceptable level of accuracy can be obtained if the duration of the second interval is calculated on the basis of the duration of the first interval.

Es wird eine Berechnung verwendet, bei der in dem stabilen Zustand die Dauer des zweiten Intervalls gleich der Dauer des ersten Intervalls ist.A calculation is used where in the steady state the duration of the second interval is equal to the duration of the first interval.

Um zu ermöglichen, daß die Regelung stabil arbeitet, erfolgt die Berechnung jedoch so, daß die Dauer des zweiten Intervalls gleich dem Mittelwert der Dauer der ersten Intervalle bei dem laufenden Zyklus und den vorhergehenden Zyklen ist.However, in order to enable the control to operate stably, the calculation is carried out in such a way that the duration of the second interval is equal to the average of the duration of the first intervals in the current cycle and the previous cycles.

Die beigefügten Zeichnungen stellen Folgendes dar:The attached drawings show:

Die Fig. 1 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel der Erfindung wiedergibt.Fig. 1 is a circuit diagram showing an example of the invention.

Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das Wellenformen bei der Schaltung der Fig. 1 wiedergibt.Fig. 2 is a diagram showing waveforms in the circuit of Fig. 1.

Die Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise des in der Fig. 1 wiedergegebenen Beispiels veranschaulicht.Figure 3 is a flow chart illustrating the operation of the example shown in Figure 1.

Die Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein zweites Beispiel der Erfindung wiedergibt.Fig. 4 is a circuit diagram showing a second example of the invention.

In der Fig. 1, auf die zuerst Bezug genommen wird, hat die induktive Last die Form einer Magnetspule 10, die mit einer Stromumlaufdiode 10a kombiniert ist. Diese Diode ist in der Tat in die Magnetspule so eingebaut, daß die Verbindungen zwischen der Magnetspule und der Diode nicht getrennt werden können, wodurch es unmöglich ist, ein Stromfühlelement zu verwenden, das das Stromniveau in der Magnetspule fühlen kann, wenn der von außen zugeführte Strom unterbrochen wird.In Fig. 1, to which reference is first made, the inductive load takes the form of a magnetic coil 10 combined with a current circulating diode 10a. This diode is in fact built into the magnetic coil in such a way that the connections between the magnetic coil and the diode cannot be broken, thus making it impossible to use a current sensing element capable of sensing the current level in the magnetic coil when the externally supplied current is interrupted.

Die Regelung umfaßt eine Feldeffekttransistor-Schaltvorrichtung 11 und einen Stromfühlwiderstand 12, die zwischen einer Stromzuführungsschiene 13 und einer Masseschiene 14 in Serie zu der Magnetspule angeschlossen sind. Ein Ende des Widerstandes 12 ist mit der Stromzuführungsschiene 13 verbunden, so daß die Spannung an dem anderen Ende des Widerstandes in einer linearen Beziehung zu dem in der Magnetspule fließenden Strom steht, wenn die Schaltvorrichtung 11 leitend ist. Die Regelung umfaßt außerdem einen Spannungskomparator 15, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 16 mit dem anderen Ende des Widerstandes 12, und über einen Kondensator 17 (der als Rauschfilter wirkt) mit der Stromzuführungsschiene 13 verbunden ist.The control includes a field effect transistor switching device 11 and a current sensing resistor 12 connected between a power supply rail 13 and a ground rail 14 in series with the solenoid. One end of the resistor 12 is connected to the power supply rail 13 so that the voltage at the other end of the resistor is in a linear relationship to the current flowing in the solenoid when the switching device 11 is conducting. The control also includes a voltage comparator 15, the inverting input of which is connected to the other end of the resistor 12 through a resistor 16 and to the power supply rail 13 through a capacitor 17 (which acts as a noise filter).

Der Ausgang des Spannungskomparators 15 ist mit einem Eingang eines ASIC (applikationsspezifischen IC) 18 verbunden, der eine arithmetische Einheit (nicht wiedergegeben) enthält. Der ASIC hat einen Ausgang, der über einen Widerstand 19 mit dem Gate der Schaltvorrichtung 11 verbunden ist. Ein weiterer Ausgang des ASIC liefert eine Bezugsspannung für den nicht-invertierenden Eingang des Spannungskomparators 15, entsprechend von dem ASIC erhaltenen Befehlen und den in der arithmetischen Einheit des ASIC ausgeführten Berechnungen. Die Erzeugung der Bezugsspannung wird hier nicht im einzelnen beschrieben, aber kann dynamisch und statisch so eingestellt werden, daß der Stromverbrauch des Aktuators minimiert wird. Es soll nur gesagt werden, daß die auf den nicht-invertierenden Eingang des Spannungskomparators 15 gegebene Bezugsspannung auf die Spannung eingestellt wird, auf die das andere Ende des Widerstandes 12 abfällt, wenn der in dem Widerstand 12 fließende augenblickliche Strom gleich dem gewünschten mittleren Strom in der Magnetspule 10 ist.The output of the voltage comparator 15 is connected to an input of an ASIC (application specific IC) 18 containing an arithmetic unit (not shown). The ASIC has an output connected to the gate of the switching device 11 via a resistor 19. Another output of the ASIC provides a reference voltage for the non-inverting input of the voltage comparator 15, according to commands received from the ASIC and calculations performed in the arithmetic unit of the ASIC. The generation of the reference voltage is not described in detail here, but can be dynamically and statically adjusted so that the current consumption of the actuator is minimized. Suffice it to say that the reference voltage applied to the non-inverting input of the voltage comparator 15 is set to the voltage to which the other end of the resistor 12 drops when the instantaneous current flowing in the resistor 12 is equal to the desired average current in the solenoid coil 10.

Der wichtige Teil des Programms des ASIC ist in der Fig. 3 wiedergegeben. Die wiedergegebene Routine wird bei vorgegebenen Zeitintervallen periodisch aufgerufen, und ist für die Überwachung des Ausgangssignals der Spannungskomparators und die entsprechende Steuerung der Schaltvorrichtung verantwortlich. Jedesmal, wenn die Routine aufgerufen wird, wird die Variable t inkrementiert (20), und der Wert von t wird mit der Wiederholungszykluszeit tcyc verglichen (21). Wenn die Zykluszeit nicht abgelaufen ist, testet (22) die Routine, ob das System in der ersten Phase seines Zyklus ist. Wenn dies der Fall ist, dann testet (23) die Routine, ob der Ausgang des Spannungskomparators 15 hoch oder niedrig ist. Wenn der Ausgang niedrig ist, wird die Routine beendet. Wenn der Ausgang hoch ist, wird eine Berechnung (24) ausgeführt, um den gespeicherten Wert einer Variablen tav zu aktualisieren, wozu der dreifache gespeicherte Wert zu dem gegenwärtigen Wert von t addiert wird und die Summe durch 4 dividiert wird. Der Wert einer Variablen toff wird dann als die Summe des neuen Wertes von tav und des Wertes von t berechnet. Der Wert der Phasenvariablen wird dann auf 2 eingestellt (25), so daß bei dem nächsten Zyklus die Entscheidung (22) einen Sprung nach einem anderen Zweig der Routine bewirkt.The important part of the ASIC program is shown in Fig. 3. The shown routine is called periodically at predetermined time intervals and is responsible for monitoring the output of the voltage comparator and controlling the switching device accordingly. Each time the routine is called, the variable t is incremented (20) and the value of t is compared with the repeat cycle time tcyc (21). If the cycle time has not expired, the routine tests (22) whether the system is in the first phase of its cycle. If so, then the routine tests (23) whether the output of the voltage comparator 15 is high or low. If the output is low, the routine is terminated. When the output is high, a calculation (24) is performed to update the stored value of a variable tav by adding three times the stored value to the current value of t and dividing the sum by 4. The value of a variable toff is then calculated as the sum of the new value of tav and the value of t. The value of the phase variable is then set to 2 (25) so that on the next cycle decision (22) causes a jump to another branch of the routine.

Wenn die Phase gleich 2 ist, testet (26) die Routine, ob die durch die Variable toff definierte Periode abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird die Phase auf 3 eingestellt (27), und der Schalter wird ausgeschaltet.If the phase is 2, the routine tests (26) whether the period defined by the variable toff has elapsed. If so, the phase is set to 3 (27) and the switch is turned off.

Wenn die Phase auf 3 eingestellt ist, testet (29) die Routine, ob tcyc abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, wird t auf null eingestellt, die Phase auf 1 eingestellt, und der Schalter eingeschaltet.If the phase is set to 3, the routine tests (29) whether tcyc has expired. If it has, t is set to zero, the phase is set to 1, and the switch is turned on.

Folglich wird bei einem normalen Betriebszyklus, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, die Schaltvorrichtung 11 zu Beginn des Zyklus eingeschaltet. Das Stromniveau steigt folglich an. Wenn das Stromniveau den gewünschten mittleren Wert erreicht, wird der Ausgang des Spannungskomparators 15 hoch, und dann wird die Dauer der Ein-Periode des Schalters berechnet. Der Schalter wird in dem eingeschalteten Zustand gehalten, bis die (zweite) berechnete Periode abläuft, und dann wird die Schaltvorrichtung wieder ausgeschaltet, bis es Zeit für den Beginn eines neuen Zyklus ist.Thus, in a normal operating cycle, as shown in Figure 2, the switching device 11 is turned on at the beginning of the cycle. The current level therefore rises. When the current level reaches the desired average value, the output of the voltage comparator 15 goes high and then the duration of the on period of the switch is calculated. The switch is held in the on state until the (second) calculated period expires and then the switching device is turned off again until it is time for a new cycle to begin.

Nach einer Änderung bei dem gewünschten mittleren Strom, oder einer Störung bei der mechanischen Last des Aktuators stellt die Einbeziehung eines dominanten Ausdrucks, der auf vorherigen Werten der Dauer des ersten Intervalls basiert, in die Berechnung der gesamten Ein-Zeit sicher, daß sich die Regelung auf eine stabile Weise entsprechend den veränderten Bedingungen selbst einstellt.Following a change in the desired average current, or a disturbance in the mechanical load of the actuator, the inclusion of a dominant term based on previous values of the duration of the first interval in the calculation of the total on-time ensures that the control adjusts itself in a stable manner according to the changed conditions.

Bei dem in der Fig. 4 wiedergegebenen, zweiten Beispiel ist die Magnetspule 10 zwischen der Stromzuführungsschiene 13 und der Schaltvorrichtung 11 angeschlossen. Der Widerstand 12 ist zwischen der Schaltvorrichtung 11 und der Masseschiene 14 angeschlossen, und der nicht-invertierende Eingang des Spannungskomparators 15 ist über den Widerstand 16 mit dem Widerstand 12 verbunden. Der invertierende Eingang des Spannungskomparators 15 ist so angeschlossen, daß er das Bezugsspannungssignal von dem ASIC 18 erhält. Die Funktionsweise des zweiten Beispiels ist genau die gleiche wie bei dem ersten Beispiel.In the second example shown in Fig. 4, the solenoid coil 10 is connected between the power supply rail 13 and the switching device 11. The resistor 12 is connected between the switching device 11 and the ground rail 14, and the non-inverting input of the voltage comparator 15 is connected to the resistor 12 via the resistor 16. The inverting input of the voltage comparator 15 is connected to receive the reference voltage signal from the ASIC 18. The operation of the second example is exactly the same as in the first example.

Claims

1. Current control for an inductive load (10), comprising a switching device (11) and a current sensing element (12) connected in series to the load, a voltage comparator (15) connected to the sensing element and designed to operate when the current in the sensing element is equal to a desired average value, and a digital control circuit (18) connected to the voltage comparator to receive an input signal from the voltage comparator and connected to the switching device to control the conduction state of the switching device, the digital control circuit (18) being operative to periodically switch on the switching device, to measure the duration of a first interval from switch-on to the moment of operation of the voltage comparator in which the current in the load reaches the desired average value, and to maintain the switching element in its switched-on state during a second interval of a duration calculated as a function of the duration of the first interval.

2. Current control as claimed in claim 1, wherein the digital control circuit (18) operates so that in a steady state the duration of the second interval is adjusted to be equal to the measured duration of the first interval.

3. Current control as claimed in claim 2, wherein the digital control circuit (18) maintains a variable representing the average value of the duration of the first interval and updates this variable each time a new value for the duration of the first interval is determined.

4. Current control as claimed in claim 3, wherein the updating of the mean value according to the expression

tav = (3*t'av + t)/4

where tav is the new mean value, t'av is the old mean value, and t is the new measured duration of the first interval.

5. A current control as claimed in any preceding claim, wherein the digital control circuit (18) applies a signal representing the desired average value to the voltage comparator.