DE3843507A1 - Verfahren zur messung eines getakteten stromes in einem induktiven verbraucher und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines getakteten Stromes in einem induktiven Verbraucher in einem Kraftfahrzeug nach der Gattung des Hauptanspruchs. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend elektromagnetisch wirkende Steller wie z.B. Schrittmotoren, Magnetschalter und Magnetventile mit getakteter Bestromung eingesetzt. Bei Proportionalventilen, die auf eine Stromregelung angewiesen sind, ergibt sich aus der getakteten Bestro­ mung eine geringere Wärmeentwicklung im Steuergerät. Bei Schaltventilen erschließt der Vorteil einer getakten Stromregelung eine Verkleinerung der Baugröße der Schalt­ ventile. Schaltventile, die ohne Taktung direkt mit der Fahrzeugbordspannung betrieben werden, müssen so ausge­ legt sein, daß sie bei Schwankungen der Bordspannung (ca. 9 Volt bis 16 Volt in einem Kraftfahrzeug) im Betriebs­ temperaturbereich (ca.-40°C bis mindestens +85°C) einerseits sicher schalten, andererseits nicht überla­ stet werden; allein die beiden Parameter Bordspannung und Betriebstemperatur erzeugen eine Streuung des Laststroms um den Faktor 2,3. Bei getakteten Schaltventilen fällt die Verteuerung durch konstruktive Maßnahmen zur Abdek­ kung solcher Betriebsparameterstreuungen gänzlich weg.

Sowohl aus der Veröffentlichung "Verlustarme Ansteuerung von Aktuatoren", erschienen am 13.11.1987 in der Fach­ zeitschrift "ELEKTRONIK", als auch aus der vorlaufenden Anmeldung P 38 17 770.6-33 der Anmelderin ist vorbekannt, zur Beeinflussung bzw. Regelung des Taktstromes eines induktiven Verbrauchers auf einen günstigen Wert in Ver­ bindung mit einer rückschlagspannungsbegrenzenden Frei­ laufbeschaltung durch ein Ventilelement den strompro­ portionalen Spannungsabfall an einem verbraucherstrom­ durchflossenen Meßwiderstand heranzuziehen.

Bei solchen Anordnungen ist nachteilig, daß zwei poten­ tialfreie Leitungen vom Steuergerät zum Ventil geschleift werden müssen, weil die Rückführung des Stroms über die Fahrzeugmasse am Ort des Verbrauchers nicht möglich ist (Meßwiderstand im Massepfad), und daß an das Ansteuerge­ rät zum Ventil führend jeweils zwei Steuerleitungen an­ zuschließen sind, welche beide elektronisch gegen Fahr­ zeugstörspannungen gesichert sein müssen.

Demgegenüber kommen entsprechend bekannte Anordnungen, bei denen der Meßwiderstand aus dem Massepfad verlagert ist, mit nur einer Ansteuerleitung zum Verbraucher aus, indem dann der Stromrückfluß durch Verbindung des Ver­ brauchers mit der Fahrzeugmasse vor Ort erzielt wird; dazu muß aber jedenfalls die Meßspannung am Prüfwider­ stand durch zwei von der Fahrzeugmasse isolierte Leitun­ gen als Differenzspannung abgegriffen und anschließend mit hoher Gleichtaktunterdrückung gemessen werden. Hier­ für geeignete Bauteile sind teuer. Im übrigen bereitet die Notwendigkeit einer Messung mit hoher Gleichtakt­ unterdrückung erhebliche Schwierigkeiten dann, wenn zur Signalverarbeitung - wie in modernen Steuergeräten üblich - ein A/D-Mikrocontroller eingesetzt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, welche es erlauben, einen an seinem Installationsort mit einem Bordnetzpotential - üblicherweise mit der Fahrzeug­ masse - verbundenen induktiven Verbraucher über eine einzige Leitung anzusteuern, wobei im entsprechenden Steuergerät als Maß für den Verbraucherstrom eine auf einen Betriebsspannungspol bezogene Spannungsgröße ohne aufwendige Gleichtaktunterdrückungsmaßnahmen auswertbar ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit dem kennzeichnenden Merkmal des auf den Anspruch 1 rückbezogenen Anspruches 7 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind nach Lehre der darauf rückbezogenen Ansprüche gegeben.

Ein Vorteil des erfindungegmäßen Verfahrens besteht da­ rin, daß in einem Kraftfahrzeug nur eine Steuerleitung je Verbraucher verlegt werden muß, wodurch auch die Zahl der an einem Steuergerät vorzusehenden Anschlüsse minimiert werden kann. In weiter vorteilhafter Weise erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung, einen Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller zur kontrollierten Stromzumessung einzu­ setzen.

Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und zusammen mit letz­ terem in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen

Fig. 1a das Wirkschaltbild einer herkömmlichen getakte­ ten Ansteuerung eines induktiven Verbrauchers mit Gewinnung eines auf Masse bezogenen Strom­ signals;

Fig. 1b das Wirkschaltbild einer herkömmlichen getakte­ ten Ansteuerung eines induktiven Verbrauchers mit Gwinnung eines nicht auf Masse bezogenen Stromsignals;

Fig. 1c den Verlauf der nach Fig. 1 und 2 gewonne­ nen, den Stromverlauf repräsentierenden Sig­ nalspannung;

Fig. 2 das Wirkschaltbild des ersten Ausführunsgbei­ spiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 das Wirkschaltbild des zweiten Ausführungsbei­ spiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 den Verlauf der nach Fig. 2 und 3 gewonne­ nen, den Stromverlauf repräsentierenden Sig­ nalspannung;

Fig. 5 das Wirkschaltbild des dritten Ausführunsgbei­ spiels einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Strommessung während der Stromtaktphase ge­ schieht.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf bekannte Lösungen gemäß Figuren la bis lc Bezug genommen. Gemäß Figur la wird einem elektronischen Steuergerät 1 über eine Zuleitung 2 die Bordnetzspannung +U _BATT zuge­ führt. Letztere liegt an einem gesteuerten Schalter 3 an, über den entsprechend einer getakteten Ansteuerung dem induktiven Verbraucher 4 Strom zuführbar ist; hierzu ist der Verbraucher 4 über zwei Leitungen 5 und 6 mit dem Steuergerät 1 verbunden. Die zweite Leitung 6 ist im Steuergerät an einen Meßwiderstand 7 geführt, welcher mit seiner Verbindung 8 nach Masse 9 den Stromkreis schließt. Zur Serienschaltung aus Verbraucher 4 und Meßwiderstand 7 ist ein Halbleiterventil 10 so parallel geschaltet, daß es bei Bestromung des Verbrauchers 4 gesperrt ist. Am Meßwiderstand 7 ist eine auf Masse 9 bezogene Meßspannung U _M abnehmbar, die proportional zum Strom durch den Ver­ braucher 4 ist. Figur lc veranschaulicht den Zeitverlauf 12 der Meßspannung U _M bzw. des Stromes bei getakteter Betätigung des elektronischen Schalters 3; durch die glättende Wirkung der Spuleninduktivität ergibt sich bei Taktung mit ausreichend hoher Frequenz in Zusammenwirken mit dem Freilaufventil 10 ein bekanntermaßen sägezahnför­ miger Spannungsverlauf. Jede der Zuleitungen 5 und 6 zum Verbraucher 4 muß in diesem Falle von Masse 9 und der Bordnetzspannung +U _BATT auf der Leitung 2 isoliert sein; dementsprechend müssen auch zwei Leitungsabgänge im elek­ tronischen Steuergerät 1 gegen Falschanschluß und/oder Fahrzeugstörspannungen elektronisch abgesichert sein. Dies gilt auch bei Ersatz des Schalters 3 gegen +U _BATT durch einen sinngemäßen nach nach Masse 9, d.h. spiegel­ bildlicher Ausführung der Wirkschaltung gemäß Figur la.

Figur lb zeigt eine bekannte Abwandlung der Anordnung gemäß Figur la mit vertauschter Reihenfolge im Stromkreis des Verbrauchers 4 und des Meßwiderstandes 7. Hier kann der Verbraucher an Masse 9 a gelegt werden, und zwar an einem anderen Ort, als demjenigen, wo das Steuergerät 1 an Masse 9 b gelegt ist; insoweit ist nur eine Leitung 5 zwischen Steuergerät 1 und Verbraucher 4 zu verlegen, und es muß auch nur ein Leitungsabgang je Verbraucher 4 im elektronischen Steuergerät 1 gegen Falschanschluß und/ oder Fahrzeugstörspannungen elektronisch abgesichert sein. Der Vorteil des Stromrückflusses über die Fahrzeug­ masse wird allerdings durch den Nachteil erkauft, daß die Strommessung nur durch die Messung der schwebenden, d.h. nicht gegen Masse 9 b bezogenen Differenzspannung U _M am Meßwiderstand 7 geschehen kann. Diese Differenzspannung hat prinzipiell denselben Verlauf 12 wie in Fig. 1c gezeigt.

Die Auswertung der Differenzspannung ist jedoch schwierig insoweit, als bei geschlossenem Schalter 3 die Meßleitun­ gen 11 a und 11 b ein Potential nahe +U _BATT und bei offe­ nem Schalter 3 (Freilaufphase) ein Potential nahe der Masse 9 aufweisen, und die Differenzspannung U _M deshalb mit hoher Gleichtaktunterdrückung gemessen werden muß. Die Vereinfachung in der Außenbeschaltung des Steuerge­ rätes 1 wird also durch das Erfordernis aufwendiger Auswertungskomponenten innerhalb des Steuergerätes 1, etwa lasergetrimmter Hybridschaltungen, erkauft, die einen erheblichen apparativen Kostenfaktor darstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, die di­ rekte, kontinuierliche Strommessung während der Ansteu­ erphase durch eine nur kurzzeitige Stromabtastung zu ersetzen und dazu den Zeitpunkt der Strommessung mit der Taktung des Schalters 3 zu synchronisieren, und des weiteren eine die Stromstärke repräsentierende Spannung an einem Meßwiderstand 7 abzunehmen, der im Steuergerät 1 entweder dauernd mit demselben Potential verbunden ist wie außerhalb des Steuergerätes 1 der Verbraucher 4, oder aber im Steuergerät im Zeitpunkt der Strommessung mit Massepotential 9 a verbindbar ist. Alternativ zur Abta­ stung des Stromes während der Taktphasen kann die Strom­ messung vorzugsweise auch indirekt während der Freilauf­ phasen erfolgen. Dazu wird in der Freilaufphase eine den Strom charakterisierende Spannung unmittelbar oder mit­ telbar erfaßt, das Ergebnis gespeichert und das Taktver­ hältnis der Bestromung des Verbrauchers jeweils zyklus­ weise nachjustiert, so daß insgesamt eine Stromrege­ lung erzielbar ist.

Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens indirekter Strommessung wäh­ rend der Stromtaktpausen. Fig. 5 zeigt eine weitere Vorrichtung zur direkten Strommessung während der Strom­ taktphasen.

Gemäß Fig. 2 umfaßt das erste Ausführungsbeispiel einen elektronischen Schalter 3, der den Verbraucher 4 von einer Bordnetzschiene 2 mit der Bordnetzspannung U _BATT getaktet zu beaufschlagen erlaubt; dabei sind die An­ schlüsse 5 und 6 des Verbrauchers 4 mit einem externen Masseanschluß 9 a bzw. mit besagtem Schalter 3 verbunden.

Im Steuergerät 1 ist dem induktiven Verbraucher 4 eine Reihenschaltung aus einem Meßwiderstand 7 und einem Halb­ leiterventil 10 parallelgeschaltet so, daß der Meßwi­ derstand durch Verbindung 8 mit einem lokalen Massean­ schluß 9 b am gleichen Bezugspotential wie der Verbraucher 4 liegt und das Halbleiterventil während der Bestromung des Verbrauchers 4 durch den Schalter 3 sperrt. Ein Ab­ griff 13 zwischen besagtem Meßwiderstand und Halblei­ terventil ist mit dem Analogeingang eines Analog/Digi­ talwandlers 14 verbunden, der ausgangsseitig über einen Datenbus 15 einen Mikrorechner 16 speist. Ein Ausgang desselben ist über den Wirkungspfad 17 mit dem Steuer­ eingang des Schalters 3 verbunden.

Die Vorrichtung funktioniert wie folgt. Der Messwider­ stand 7 wird jeweils in der Freilaufphase mit Strom beaufschlagt, woraus sich ein Spannungsabfall U _M mit Zeitverlauf gemäß Fig. 4 ergibt; am Eingang des Ana­ log/Digitalwandlers 14 liegt also eine pulsierende Gleichspannung mit annähernd exponentiallem Dachabfall an. Vorzugsweise in der Mitte der Freilaufphase wird der Momentanspannungswert am Messwiderstand 7 vom Analog/ Digitalwandler 14 eingelesen, digitalgewandelt und an den Mikroprozessor 16 übergeben. Der Mikroprozessor ver­ gleicht den gemessenen Wert mit einem gespeicherten Sollwert und verändert das Taktverhältnis, falls erfor­ derlich. Dies entspricht dem Prinzip des einfachen Zwei­ punktreglers. Bei diesem Ausführungsbeispiel mißt der Analog/Digitalwandler 14 also im negativen Spannungsbe­ reich. Unter Zugrundelegung einer linearen Näherung ga­ rantiert die Abtastung des Stromes in der Mitte der Frei­ laufphase schon bei vergleichsweise niedrigen Frequenzen einen ausreichend linearen Zusammenhang zwischen tatsäch­ lichem Ansteuerstrom in der Taktphase und Meßergebnis in der Freilaufphase. Insbesondere bei Schaltventilen, bei denen die getaktete Betriebsweise hautsächlich eine Begrenzung der Verlustleistung verfolgt, sind die An­ sprüche an die Genauigkeit der Strommessung relativ gering.

Gemäß Fig. 3 umfaßt das zweite Ausführungsbeispiel einen elektronischen Schalter 3, der den Verbraucher 4 von einer Bordnetzschiene 2 mit der Bordnetzspannung U _BATT getaktet zu beaufschlagen erlaubt; dabei sind die An­ schlüsse 5 und 6 des Verbrauchers 4 mit einem externen Masseanschluß 9 a bzw. mit besagtem Schalter 3 verbunden. Im Steuergerät 1 ist dem induktiven Verbraucher 4 eine Reihenschaltung aus einem Meßwiderstand 7 und einem Halbleiterventil 10 parallelgeschaltet so, daß der Meß­ widerstand durch Verbindung 8 mit einem lokalen Masse­ anschluß 9 b am gleichen Bezugspotential wie der Verbrau­ cher 4 liegt und das Halbleiterventil während der Bestro­ mung des Verbrauchers 4 durch den Schalter 3 sperrt. Ein Abgriff 13 zwischen besagtem Meßwiderstand und Halblei­ terventil ist mit dem ersten Eingang eines Kompärators 18 verbunden; der Vergleichseingang des Komparators 18 liegt an einem Referenzpotential -U _REFF. Der Ausgang des Kompa­ rators ist mit dem Triggereingang eines Timers 20 verbun­ den, der andererseits mit einem Mikrorechner 16 verbunden ist. Von einem Ausgang des letzteren führt eine Verbin­ dung 17 zu einem entsprechenden Steuereingang des Schal­ ters 3.

Die Abweichung der Funktion zu jener des Ausführungsbei­ spiels gemäß Fig. 2 ist folgende. Die Strommessung be­ ruht hier auf einer Zeitmessung. Mittels des Komparators 18, Timers 20 und Mikroprozessors 16 wird geprüft, ob die Spannung U _M am Meßwiderstand 7 in der Mitte der Frei­ laufphase mit dem vorgegebenen festen Sollwert -U _REFF übereinstimmt. Kippt der Komparator 6 nicht exakt zum richtigen Zeitpunkt, liegt eine Stromabweichung von einem vorgegebenen Sollwert vor und der Mikroprozessor kann das Tastverhältnis entsprechend verändern. Auch hier ist also neben der Strommessung eine Stromregelung auf einen festen - oder bei entsprechender Ansteuerung des Mikro­ prozessors - beliebig vorgebbaren Wert möglich.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Vorrichtung 1 zur Durch­ führung der zeitabschnittsweisen Strommessung während der Stromtaktphasen. Hier ist ein elektronischer Schalter 3 vorgesehen, der über einen Anschluß 8 mit einem Masse­ punkt 9 a im Bereich des Montageortes der Vorrichtung verbunden ist. Er legt den in Serie zur Parallelschaltung aus Verbraucher 4 und Freilaufventil 10 liegenden Meß­ widerstand 7 im Takt einer Vorgabe des Mikrorechners 16 an Masse 9 a und ermöglicht so eine getaktete Bestromung des Verbrauchers 4 von einer nicht gezeigten Spannungs­ quelle, die zwischen die Klemme +U _BATT und den Massepunkt 9 a geschaltet ist. Anders als in den vorherigen Beispie­ len ist hier der Spannungsabfall U _M zweidrähtig an einen Differenzverstärker 18′ geführt, der mit einem vorrich­ tungsinternen Massepunkt 9 c verbunden ist und ausgangs­ seitig einen Analog/Digitalwandler 14 ansteuert, der seinerseits mit dem Mikrorechner 16 in Verbindung steht.

Der Differenzverstärker ist vorgesehen, weil der Über­ gangswiderstand des elektronischen Schalters 3 erheblich streuen kann. Wenn nur in den Stromtaktphasen gemessen wird, d.h. wenn gegenüber dem Massepunkt 9 c an beiden Anschlüssen des Meßwiderstandes 7 eine relativ niedrige Spannung ansteht, sind hier keine hohen Anforderungen bezüglich Gleichtaktunterdrückung an den Differenzver­ stärker 18′ gestellt. Der Verbraucher 4 weist bei geöff­ netem Schalter 3 spannungsführende Anschlüsse 5′ und 6′ auf. Die restliche Funktion ergibt sich aus der voran­ gestellten Beschreibung zu vorherigen Figuren analog; am Meßwiderstand 7 fällt hier also nur während der Strom­ taktphasen eine Meßspannung U _M ab.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung des getakteten Betriebsstro­ mes eines induktiven Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug, bei dem besagter Verbraucher einseitig mit einem Bord­ netzpotential - vorzugsweise Massepotential - verbunden ist, und wobei ein den Verbraucher ansteuerndes und den Laststrom erfassendes Gerät einerseits zwischen die bei­ den Bordnetzpole geschaltet und andererseits (nur) durch eine Ansteuerleitung mit besagtem Verbraucher verbunden ist, und bei dem ein vom Betriebsstrom durch den Ver­ braucher beaufschlagter Meßwiderstand zur Bereitstellung einer den getakteten Laststrom charakterisierenden Meß­ spannung dient, dadurch gekennzeichnet, daß die am Meßwiderstand (7) bereitgestellte Meßspannung zeitabschnittsweise entweder nur in den Taktphasen wäh­ rend des Sperrens eines Freilaufventils (10) oder nur zwischen den Taktphasen während des Leitens eines Frei­ laufventils (10) erfaßt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung im wesentlichen in der Mitte des Freilaufzeitintervalles synchron zur Taktung des Betriebsstromes erfaßt und ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung im wesentlichen in der Mitte des Bestromungszeitintervalles synchron zur Taktung des Betriebsstromes erfaßt und ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung in ein digitales Datenwort gewandelt und dasselbe in ein Signal zur Taktung des Betriebsstro­ mes aufbereitet und als Steuersignal an ein die Stromtak­ tung bewirkendes Bauelement (3) übertragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung in ein Zeitintervall gewandelt und dasselbe in ein Signal zur Taktung des Betriebsstromes aufbereitet und als Steuersignal an ein die Stromtaktung bewirkendes Schaltbauelement (3) übertragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des Betriebsstromes des Verbrau­ chers nach Maßgabe der Differenz zwischen der Meßspannung und wenigstens einem gespeicherten Sollwert auf einen bestimmten Wert eingestellt bzw. geregelt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:

• - ein mit dem Meßwiderstand (7) in Serie geschaltetes Freilaufventilelement (10), letztwelches während der Taktpausen des Betriebsstromes des Verbrauchers (4) durchschaltbar ist;
• - einen digitalen Mikrorechner (16), welcher ausgangs­ seitig mit einem Steuereingang eines den induktiven Verbraucher (4) mit der Betriebsspannung (+U _BATT) beaufschlagenden Schaltbauelements (3) wirkverbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Komparator (18) mit Referenzspannungsquelle umfaßt, welchem zur Erzeugung eines Zeitintervalles ein Zeitgeber (20) nachgeschaltet ist, von letztwelchem we­ nigstens ein bezüglich seiner Zeitdauer von der Differenz zwischen der Meßspannung und der Referenzspannung abhän­ gender Impuls einem Eingang des digitalen Mikrorechners (16) zuführbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen dem digitalen Mikrorechner (16) vorgeschal­ teten Analog/Digitalwandler (14) umfaßt, dessen Eingang der Spannungsabfall an besagtem Meßwiderstand (7) zuführ­ bar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (4) der Serienschaltung aus Freilauf­ ventilelement (10) und Meßwiderstand (7) parallelgeschal­ tet ist und ein Stromfluß in letzterem in den Taktpausen des Betriebsstromes des Verbrauchers stattfindet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (4) dem Freilaufventilelement (10) parallelgeschaltet ist und ein Stromfluß im Meßwiderstand (7) in den Taktphasen des Betriebsstromes des Verbrau­ chers stattfindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Differenzverstärker (18′) umfaßt, der dem Analog/Digitalwandler vorgeschaltet ist und dessen beiden Eingängen der Spannungsabfall (U _M ) am Meßwiderstand (7) zuführbar ist.