DE19946348A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils vorgeschlagen, welches Hubbereiche mit stabilem und Hubbereiche mit instabilem Kräftegleichgewicht aufweist. Zur Einstellung eines vorgegebenen Differenzdrucks über dem Magnetventil wird eine Ansteuersignalgröße gebildet, die derart gewählt wird, daß die Hubbereiche mit instabilem Kräftegleichgewicht vermieden oder die Aufenthaltszeit des Magnetventils in diesen Bereichen verringert wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils.

Elektrisch gesteuerte Magnetventile werden als Drucksteuer­ ventile in der Technik in vielfacher Verwendung eingesetzt. Ein besonderes Anwendungsgebiet von solchen Magnetventilen ist die Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs, bei welcher durch Betätigen von Magnetventilen der Druck in den Radbremszylin­ dern gesteuert wird. Ein Beispiel für eine derartige Steue­ rung eines Magnetventils ist aus der DE 195 01 760 A1 (US-Patent 5,727,852) bekannt. Dort wird eine hydraulische Brems­ anlage beschrieben, bei welcher die in den Radbremszylinder eingesteuerten Drücke durch Steuerung wenigstens eines Ma­ gnetventils gemäß einem Vorgabewert eingestellt werden. Es wird durch Betätigen dieses Magnetventils in wenigstens ei­ ner Radbremse Druck aufgebaut, gehalten oder abgebaut. Die Steuerung des Magnetventils erfolgt dabei im Rahmen eines Druckregelkreises, durch welchen ein vorgegebener Sollwert für den Druck in der Radbremse eingestellt wird.

Ein weiteres Verfahren bzw. eine weitere Vorrichtung zur Steuerung eines Druckregelventils in einer Bremsanlage ist aus der DE 196 54 427 A1 bekannt. Dort wird zur Steuerung des Drucks in wenigstens einer Radbremse im Rahmen eines Druckregelkreises wenigstens ein Schaltventil derart ange­ steuert, daß das Ventil ein Proportionalverhalten zeigt. Da­ bei ist ein Druckregler vorgesehen, welcher ein pulsweiten­ moduliertes Ansteuersignal für das Ventil oder einen Strom­ sollwert für den durch die Ventilwicklung fließenden Strom in Abhängigkeit der Abweichung des im Bereich einer Radbrem­ se gemessenen Drucks von einem vorgegebenen Sollwert bildet. Der Öffnungsquerschnitt des Ventils und damit der über das Ventil fließende Volumenstrom stellt sich entsprechend der Ansteuersignalgröße ein. Durch die Regelung wird eine vorbe­ stimmte Druckdifferenz über dem Ventil eingestellt. Das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal ist dabei derart ge­ wählt, daß sich ein dem Öffnungsquerschnitt entsprechender mittlerer Strom durch die Ventilwicklung einstellt.

In einigen Anwendungsfällen hat sich die Einstellung einer sehr kleinen Druckdifferenz mittels einer derartigen Ven­ tilansteuerung als problematisch erwiesen, da unter bestimm­ ten Betriebsbedingungen ein spontanes Öffnen des Magnetven­ tils beobachtet wurde.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Ansteuerung ei­ nes Magnetventils anzugeben, mit dessen Hilfe auch eine sehr kleine Druckdifferenz über dem Ventil einstellbar ist.

Vorteile der Erfindung

Es wird die Einstellung einer sehr kleinen Druckdifferenz auch bei Ventilen ermöglicht, die zumindest unter bestimmten Betriebsumständen bei kleinen Druckdifferenzen spontan öff­ nen. Dadurch, daß durch das Ansteuerverfahren nicht ein mittlerer Strom, sondern im Rahmen einer vorgegebenen Fre­ quenz ein Strom eingestellt wird, der ein abwechselndes Schließen und Öffnen des Ventils zur Einstellung der kleinen Druckdifferenz bewirkt, wird dem spontanen Öffnen des Ven­ tils entgegengewirkt. Selbst für den Fall, daß das Magnet­ ventil spontan öffnet, wird das Ventil durch die nach Maßga­ be der Ansteuerfrequenz vorgenommene erhöhte Bestromung wie­ der geschlossen und auf diese Weise die gewünschte Druckdif­ ferenz eingehalten.

In vorteilhafter Weise wird die Ansteuerung so gewählt, daß die Öffnungsbereiche des Ventils (Hubbereiche), in denen ei­ ne spontane Öffnung des Ventils erwartet wird, vermieden werden, bzw. die Verweilzeit des Magnetventils in diesen Be­ reichen verringert wird, indem durch die Ansteuerung das Ventil immer außerhalb dieser Hubbereiche bewegt wird.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Ansteuerverfah­ rens auf ein Magnetventil, welches in Verbindung mit der elektrischen Steuerung einer Bremsanlage, insbesondere mit dem Aufbau sehr kleiner Bremsdruckwerte, eingesetzt wird, wie es z. B. in Verbindung mit einem automatischem Bremsvor­ gang wünschenswert ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Magnetventils, während in Fig. 2 typische Kennlinien für unterschiedliche Diffe­ renzdrücke eines ausgewählten Magnetventils dargestellt sind. In Fig. 3 ist am Beispiel eines Zeitdiagramms die Ansteuerung zum Einstellen kleiner Differenzdrücke darge­ stellt. In Fig. 4 schließlich ist anhand eines Zeitdia­ gramms die Wirkungsweise dieser Ansteuerung zum Einstellen kleiner Differenzdrücke über dem Ventil im Vergleich zu ei­ ner herkömmlichen, pulsweitenmodulierten Ansteuerung darge­ stellt. In Fig. 5 schließlich ist ein Flußdiagramm skiz­ ziert, welches eine bevorzugte Realisierungsform der An­ steuerung darstellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist schematisch ein Magnetventil dargestellt, welches aus einem Gehäuse 10, einer Ventilnadel 12, einem Ventilsitz 14, einer in Öffnungsrichtung des Ventils vorge­ spannten ersten Feder 16 und einem Ventilanker 18 besteht, welcher durch elektromagnetische Betätigung den Anker in der in Fig. 1 dargestellten X-Richtung betätigt. Die auf den Anker wirkenden Kräfte sind der Druck F_Druck am Ventilaus­ gang 22, die in Öffnungsrichtung gerichtete Federkraft F_F sowie die in Schließrichtung gerichtete Magnetkraft F_mag. Die Magnetkraft F_mag ergibt sich in einem stabilen Gleichge­ wicht aus der Summe der Druckkraft F_Druck und der F_F. Die Magnetkraft F_mag selbst wird durch den Strom durch die eine Steuerspule des Ankers 18 bestimmt und entsprechend dem bei­ spielsweise im Rahmen eines Druckregelkreises gewünschten F_Druck vorgegeben. Dieser Druck stellt einen Differenzdruck über dem Ventil in bezug auf den Eingangsdruck am Ventilein­ gang 24 dar. Entspricht dieser (wie es in der Regel bei un­ betätigtem Pedal einer Bremsanlage der Fall ist) im wesent­ lichen Atmosphärendruck, stellt der ausgangsseitige Druck F_Druck den Differenzdruck dar.

Die Kennlinien für die öffnenden und schließenden Kräfte über dem Hub eines solchen Ventils ist für verschiedene Druckdifferenzen Δ_P in Fig. 2 dargestellt. Durch eine her­ kömmliche pulsweitenmodulierte Ansteuerung, welche das Ven­ til einen mittleren Strom durch die Ventilspule einstellt und so den Anker in einer Mittelstellung hält, wird ein sta­ biles Kräftegleichgewicht erreicht, wenn die schließende Kraft F_mag größer als die öffnenden Kräfte F_Druck + F_F ist. Ist dies umgekehrt, d. h. sind die öffnenden Kräfte größer als die schließenden Kräfte, ergibt sich ein instabiles Gleichgewicht, was zur Folge hat, daß das Ventil bei klein­ ster Störung ungewollt öffnet. Dadurch bricht der gewünschte Differenzdruck über dem Ventil zusammen. In Fig. 2 sind für drei verschiedene Differenzdruckwerte Δp1, Δp2 und Δp3 die Kurven der öffnenden Kräfte (durchgezogen) und der schlie­ ßenden Kräfte (gestrichelt) über dem Hub X aufgetragen. Da­ bei sind deutlich Schnittpunkte (X1, X1', X2, X2', X3, X3') der jeweiligen Geraden festzustellen, welche den Hubbereich X in instabile und stabile Bereiche unterteilt. Bei kleinen Differenzdrücken (Δp1 < Δp3) verschieben sich die Schnitt­ punkte, die den stabilen und den instabilen Bereich trennen, zu kleineren Hüben hin und die Schnittpunkte rücken zusam­ men. Damit erhöht sich mit kleiner werdenden Differenz­ drücken die Gefahr, daß bei kleinen Störungen auf das Magnetven­ til sich die Nadel des Magnetventils über den stabilen Be­ reich des Hubes in den instabilen Bereich bewegt und dann schlagartig öffnet.

Wird das Ventil im Rahmen einer Druckregelung mittels eines pulsweitenmodulierten Signals gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik angesteuert, so wird in der Regel die An­ steuerfrequenz für die Ventilspule geringer als die Eigen­ frequenz des verwendeten Ventils gewählt und die Pulsweite so eingestellt, daß ein mittlerer Strom durch Ventilspule resultiert, welcher eine entsprechende mittlere Stellung des Ventils einstellt. Allerdings bewegt sich das Ventil während der Ansteuerung über relativ große Hubbereiche und kann so­ mit in instabile Bereiche gelangen. Ein spontanes Öffnen des Ventils und ein Zusammenbruch der Druckdifferenz über dem Ventil ist die Folge. Eine Berücksichtigung der Ventildyna­ mik findet nicht statt. Die eingestellte Magnetkraft reicht in diesem Fall für ein Schließen nicht aus.

Ein Beispiel für ein solches Verhalten ist anhand des Zeit­ diagramms der Fig. 4a dargestellt. Dort ist ein vorgegebe­ ner Druck P (Differenzdruck über dem Ventil) eingestellt, der zum Zeitpunkt T₀ verlassen wird. Der Druckregler regelt nunmehr im wesentlichen linear den Differenzdruck ab, bis zum Zeitpunkt T₁ das Ventil in instabile Bereiche kommt. Die Folge ist ein plötzliches Öffnen des Ventils zum Zeitpunkt T₁ und ein Zusammenbruch des Differenzdrucks über dem Ven­ til, was die Einstellung von sehr kleinen Differenzdrücken unmöglich macht.

Um dieses Verhalten zu vermeiden wird zumindest in den ge­ fährdeten Hubbereichen das Ventil derart angesteuert, daß der Hubbereich des Ventils während einer Ansteuerung be­ schränkt ist und das Ventil somit im stabilen Bereich gehal­ ten wird. Die Ventildynamik wird dabei in der Ansteuerung berücksichtigt.

Ein Beispiel für ein Ansteuersignal, mit dessen Hilfe diese Forderung erfüllt wird, ist als Zeitdiagramm in Fig. 3 dar­ gestellt. Diese zeigt den Zeitverlauf des Soll- und Iststro­ mes in der Ventilspule über der Zeit. Aufgetragen ist dabei eine Periode von T_Zyklusbeginn bis T_Zyklusende. Das Ansteu­ ersignal ist aus zwei Phasen gebildet, eine Abfall- und eine Durchflußzeit. Der Sollstrom zeigt ein pulsweitenmoduliertes Verhalten, wobei je nach einzustellender Druckdifferenz sich die Dauer der Phasen verändert. Für einen Teil des Ansteuer­ zyklus wird der Sollstrom für die gewünschte Druckdifferenz über dem Ventil vorgegeben (Abfallzeit + Durchflußzeit). Der Iststrom fällt gemäß der Induktivität von einem erhöhten Wert auf den gewünschten Wert ab und das Ventil gelangt in einen Gleichgewichtszustand. Dort wird es eine Zeitlang ge­ halten und danach nach Beendigung der Durchflußzeit wieder mit einem höheren Strom beaufschlagt und somit geschlossen. Somit wird das Ventil nur für eine vorbestimmte Zeit (Durch­ flußzeit) in dem Bereich der Differenzdruckregelung gehalten und anschließend wieder zu kleineren Hüben bewegt, um insta­ bile Hubbereiche zu vermeiden. Damit wird ein spontanes Auf­ springen des Ventils vermieden. Die Ansteuerzeit mit dem zur gewünschten Druckdifferenz passenden Strom muß ausreichend groß sein. Dabei muß die Abfallphase so groß sein, daß der Strom auf seinen Sollwert abfällt, während die daran an­ schließende Durchflußzeit groß genug sein muß, um einen aus­ reichend großen Volumenstrom über das Ventil zuzulassen. An­ schließend wird das Ventil stärker bestromt, um den mögli­ cherweise zu groß geratenen Ventilhub zu begrenzen.

Mit anderen Worten wird der zur Einstellung der gewünschten Druckdifferenz vorgegebene Sollstrom als Basisstrom für die Ventilansteuerung vorgegeben. Im Rahmen eines pulsweitenmo­ dulierten Signals wird für eine vorbestimmte Dauer (= Zy­ kluszeit - (Durchflußzeit + Abfallzeit)) ein größerer Strom vorgegeben, welcher das Ventil in Schließrichtung bewegt. Die Druckdifferenz stellt sich dann entsprechend der Höhe des Sollstromes während der Durchflußzeit bzw. entsprechend der Längen der einzelnen Ansteuerzeiten ein. Sollte das Ven­ til spontan öffnen, wird durch die nachfolgende Erhöhung des Sollstroms ein erneutes Schließen des Ventils bewirkt, so daß auch kleine Differenzdrücke durch die Ventilansteuerung einstellbar sind.

Die Vorteile dieser Vorgehensweise zeigt das Zeitdiagramm der Fig. 4b. Dort wird der Verlauf einer zeitlichen, rampen­ förmigen Reduzierung der Druckdifferenz dargestellt, wobei festzustellen ist, daß kein spontanes Öffnen des Ventils auftritt und sehr kleine Differenzdrücke einstellbar sind.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Ventil von dem Programm eines Mikrocomputers angesteuert, der Teil einer Steuereinheit zur Steuerung der Bremsanlage ist. Ein Bei­ spiel für ein derartiges Programm ist als Flußdiagramm in Fig. 5 dargestellt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, auf welches sich das Flußdiagramm der Fig. 5 bezieht, wird das Ventil als Steuerventil für den Bremsdruckaufbau in einer Bremsanlage im Rahmen eines automatischen Bremsvorgangs ein­ gesetzt, vorzugsweise als Steuerventil, welches die Öffnung der Bremsleistung zwischen Hauptzylinder und Radbremsen steuert. Dabei ist wesentlich, daß zu Beginn der Bremsung oder bei entsprechender Forderung sehr kleine Differenz­ drücke eingestellt werden, d. h. sehr kleine Bremsdrücke einge­ steuert werden.

Das in Fig. 5 skizzierte Programm wird zumindest dann ein­ geleitet, wenn kleine Differenzdrücke durch den Regler ein­ gestellt werden sollen. Nach Start des Programmteils zu vor­ gegebenen Zeitpunkten wird im ersten Schritt 100 die vorge­ gebene Solldifferenzdruckgröße Δ_pSoll eingelesen. Daraufhin wird im Schritt 102 die zur Einstellung dieser Differenz­ druckgröße notwendige Stromsollgröße I_Soll bestimmt, bei­ spielsweise auf der Basis von Tabellen, Berechnungsschrit­ ten, Kennlinien oder Kennfeldern, ggf. unter Berücksichti­ gung des Istdrucks. Daraufhin wird im Schritt 104 das An­ steuersignal zum Ventil ausgegeben, wobei das Tastverhältnis des Ansteuersignals derart gewählt ist, daß das mit dem für eine bestimmte Zeit mit dem Sollstrom angesteuerte Ventil für eine vorbestimmte Durchflußzeit öffnet und der gewünsch­ te Differenzdruck sich einstellt. Durch über den Sollstrom hinausgehende Stromerhöhung für eine bestimmte Zeit während der Ansteuerperiode wird das Ventil wieder in Schließrich­ tung angesteuert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils, wobei ein vorgegebenes Ansteuersignal mit wenigstens einer veränderli­ chen Größe zur Ansteuerung des Magnetventils in Abhängigkeit einer einzustellenden Drucks erzeugt wird, wobei das Magnet­ ventil Hubbereiche aufweist, in denen ein instabiles Kräf­ tegleichgewicht und Hubbereiche aufweist, in denen ein sta­ biles Kräftegleichgewicht herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Größe derart bestimmt wird, daß der Hub des Magnetventils im wesentlichen außerhalb der Bereiche mit instabilem Kräftegleichgewicht bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignalgröße ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, welches den Strom durch die Ventilspule moduliert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignalgröße derart vorgegeben ist, daß eine Ab­ fallphase des Stromes vorgesehen ist, innerhalb derer der Strom auf den Sollstrom zur Einstellung des vorgegebenen Druckes absinkt und eine Durchflußphase vorgesehen ist, in der das Ventil mit dem Sollstrom bestromt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal für eine Ab­ fallzeit und eine Durchflußzeit den Sollstrom zur Einstel­ lung des vorgegebenen Druckes vorgibt, für den Rest der An­ steuerperiode einen erhöhten, das Ventil in Schließrichtung steuernden Strom vorgibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignalgröße derart vorgegeben wird, daß das Ventil für eine Durchflußzeit öff­ net und danach wieder geschlossen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignalgröße nur zur Einstellung kleiner Differenzdrücke gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ein Magnetventil einer Bremsanlage ist und zur Einstellung des Bremsdrucks in wenigstens einer Radbremse dient.

8. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils, mit ei­ ner ein Programm enthaltenden Rechnereinheit, welches ein Ansteuersignal zur Ansteuerung des Magnetventils abhängig von einem gewünschten Druck bildet, wobei das Magnetventil Hubbereiche mit stabilem Kräftegleichgewicht und Hubbereiche mit instabilem Kräftegleichgewicht aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine veränderliche Größe des An­ steuersignals derart bestimmt wird, daß die Hubbereiche des Magnetventils mit instabilem Kräftegleichgewicht vermieden oder die Aufenthaltszeit des Magnetventils in diesen Hubbe­ reichen verringert wird.