DE10193494B3

DE10193494B3 - Vorrichtung zum Regeln des Stromes, welcher ein induktives Element, insbesondere ein elektromagnetisches Ventil, durchquert

Info

Publication number: DE10193494B3
Application number: DE10193494.7T
Authority: DE
Inventors: Tan Duc Huynh
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: FR2812414A1; DE10193494T1; WO2002011272A1; FR2812414B1; US20020149349A1; JP2004505596A; JP4668512B2; US6573692B2

Abstract

Vorrichtung zum Steuern oder Regeln eines ein induktives Element durchquerenden Stromes, umfassend eine Serienschaltung, umfassend das induktive Element und eine Steuereinrichtung, die durch ein Steuersignal gesteuert wird, um das induktive Element zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, ausgehend von einer elektrischen Versorgungsquelle, zu versorgen, sowie eine Messeinrichtung, die ein Messsignal eines Stromes durch das induktive Element bereitstellt, und umfassend eine Erfassungseinrichtung für ein Signal, repräsentativ für einen Strom durch das induktive Element, und eine Regeleinrichtung, um das Steuersignal in Abhängigkeit eines Sollwertes und des gemessenen Signals zu erzeugen, wobei die Erfassungseinrichtung parallel zu dem induktiven Element (S) einen Zweig oder eine Schaltung umfasst, umfassend in Serie ein erstes Widerstandselement (RS) und eine Diode (D), wobei die Diode (D) invers oder sperrend vorliegt, wenn die Steuereinrichtung (PT) in einem Zustand vorliegt, in dem das induktive Element (S) mit der Versorgungsquelle gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mittelwertschaltung für das Signal, welches repräsentativ für einen Strom ist, umfasst, um ein Signal zu erzeugen, repräsentativ für den gemittelten oder mittleren Strom in dem induktiven Element, und dass die Mittelwertschaltung oder Mittlerschaltung einen Transistor (T2) umfasst, dessen Port-Elektrode mit dem Sammler eines bipolaren Transistors (T1) verbunden oder geschalten ist, der mittels eines Widerstandes (R1) polarisiert ist, und dessen Basis über einen Widerstand (R2) ein von an einem gemeinsamen Punkt (M) zwischen der Spule (S) und dem Drain-Anschluss des Transistors (PT) abgegriffenen Signal abhängiges Umschaltsignal empfängt, um den Transistor entgegengesetzt zu der Steuereinrichtung (PT) umzuschalten, wobei die Drain-Elektrode ein Signal empfängt, repräsentativ für die Spannung an den Kontaktstellen des ersten Widerstandselements (RS), und wobei ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Stroms, welcher ein induktives Element durchquert, z. B. eine eine Steuerspule eines elektromagnetischen Ventiles und umfasst eine Serienschaltung, die das induktive Element und eine Steuereinrichtung enthält, gesteuert durch ein Steuersignal zur Versorgung des induktiven Elements, ausgehend von einer elektrischen Versorgungsquelle, insbesondere einer Spannungsquelle, sowie eine Messeinrichtung, die ein Messsignal eines mittleren Stromes durch das induktive Element bereitstellt, sowie eine Regeleinrichtung, um das Steuersignal abhängig von einem Sollwert und dem Messsignal zu erzeugen.
Bei den Regelvorrichtungen der bekannten Art wird der die Spule oder den Elektromagneten durchquerende Strom bestimmt, ausgehend von einem Widerstand mit geringem Wert oder einem Shunt, der in Serie eingefügt ist bezüglich der Spule oder des Elektromagneten. Die von diesem Shunt entwickelte bzw. die an diesem anfallende Spannung wird anschließend in einem Differentialverstärker verstärkt und gemittelt.
Eine solche Vorrichtung zeigt mehrere Nachteile.
Ein erster Nachteil besteht in einer Spannungsabnahme bzw. in einem Spannungsabfall im Steuerkreis.
Ein zweiter Nachteil ist, dass die an den Kontaktstellen des Shunt vorliegende Potentialdifferenz zwingenderweise niedrig sein muss, wobei sie verstärkt werden muss und das Vorhandensein des Verstärkers eine Ungenauigkeit einführt, bedingt durch die unterschiedlichen Polarisationswiderstände und bedingt durch Toleranzen, die integrierten Schaltungen inhärent sind.
Die US 4,511,829 schlägt vor, die Messung durchzuführen unter Einsatz eines in Serie zu einer inversen Diode geschalteten Widerstandes, parallel vorgesehen zu dem induktiven Element.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die vorgenannte Vorrichtung zu verbessern.
Unter dieser Zielsetzung schlägt die Erfindung eine Steuer- oder Regelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 vor.
Die Mittlerschaltung oder Mittelwertsbildungsschaltung kann also einen Transistor umfassen, dessen Port-Anschluss ein Umschaltsignal empfängt, um den Transistor entgegengesetzt zu der Steuereinrichtung umzuschalten, wobei der Drain-Anschluss ein Signal empfängt, repräsentativ für die Spannung an den Kontaktstellen oder Anschlüssen des ersten Widerstandselements, und wobei die Source-Elektrode oder der Source-Anschluss, einen Ausgang für ein Signal, repräsentativ für den gemittelten Strom, bildend, mit einem kapazitiven Element verbunden oder geschaltet ist, welches parallel geschaltet vorliegt zu einem zweiten Widerstandselement.
Der Drain-Anschluss des Transistors kann mit dem gemeinsamen Anschluss bzw. der gemeinsamen Kontaktstelle zwischen dem ersten Widerstand und der Diode über eine Teilerbrücke verbunden sein. Die Teilerbrücke kann über ein erstes Ende verfügen, welches mit dem gemeinsamen Anschluss oder der gemeinsamen Kontaktstelle verbunden ist, ein zweites Ende, welches mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden ist, sowie einen mittleren Punkt, der mit dem Drain-Anschluss verbunden ist, wobei die Spannung der Spannungsquelle derart gewählt ist, dass die Spannung am mittleren oder zwischengelagerten Punkt der Teilerbrücke einen Wert von ≥ 0 aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden Beschreibung, welche lediglich beispielhaft und nicht einschränkend erfolgt und auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, in welchen gilt:
1a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform gemäß einer ersten Variante, wobei 1b ein Signal-Zeit-Diagramm an den Punkten M, E, P und K von 1a wiedergibt, und wobei die 2a und 2b dessen Betrieb oder Funktion in den zwei Umschaltzuständen des Leistungstransistors darstellen.
3 zeigt eine charakteristische Kurve der gemessenen Spannung oder Messspannung V_m abhängig von dem mittleren Strom in der Spule S.
Wie es 1 zeigt, ist eine Spule oder ein Elektromagnet S, wovon ein Anschluss oder eine Kontaktstelle mit einem gemeinsamen oder Massepol verbunden ist, in Serie angeordnet mit einer Steuereinrichtung, hier einem MOS-Leistungstransistor PT, dessen Source mit einem Pol einer Versorgungsspannungsquelle, z. B. von 12 V, verbunden ist, wobei der andere Pol mit dem Massepotential mit einer Kontaktstelle der Spulen verbunden oder geschaltet ist. Die Port-Elektrode des Transistors PT empfängt ein Steuersignal V_c, welches ein mittels Impulsbreite moduliertes Signal („PWM”) ist, wobei die zyklische Beziehung bzw. die Wiederholung oder Frequenz variabel ist, um den Wert des gemittelten Stromes I_m zu steuern, der die Spule S durchquert. In einer Anwendung ist die Spule oder der Elektromagnet eine Spule oder ein Elektromagnet zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, und zwar insbesondere eines Steuerventils des Kompressors eines Kraftfahrzeugs. Die gewünschte Regelung des Mittelwertes der Intensität durch die Spule S ermöglicht es, das Bauteil, den Kompressor oder das elektromagnetische Ventil unempfindlich zu gestalten bezüglich einer Fluktuation oder Schwankung in der Versorgungsspannung, z. B. von der Spannung der Batterie eines Fahrzeugs, sowie von der internen Variation oder Veränderung der Eigenschaften der Spule (Widerstand und Induktanz) in Abhängigkeit von der Temperatur.
Parallel zu der Spule S ist ein Widerstand R_S in Serie mit der Diode D angeordnet, die invers oder umgekehrt bzw. sperrend angeordnet ist mit Bezug auf die Versorgungsspannung. Die am gemeinsamen Punkt E des Widerstandes R_S und der Diode D abgegriffene Spannung wird von einer Teilerbrücke (R_c1, R_c2) bereitgestellt, von der ein Ende mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden oder geschaltet ist, z. B. bei 5 V, so dass der Mittelpunkt P, der den beiden Widerständen R_c1 und R_c2 gemeinsam ist, immer bei einer positiven Spannung, jedoch zumindest bei Null, verbleibt (siehe Zeitdiagramm von 1b). Der gemeinsame Punkt P ist mit dem Drain oder Drain-Anschluss eines Feldeffekttransistors T2 verbunden oder geschaltet, dessen Source oder Source-Anschluss, welcher den Ausgang K für das Signal V_m repräsentativ für den gemittelten Strom in der Spule S bildet, mit einem Widerstand R_m verbunden oder geschaltet ist, sowie mit einem Kondensator C_m der parallel geschaltet diesbezüglich vorliegt. Der Port oder Port-Anschluss des Transistors T2 ist mit dem Sammler eines bipolaren Transistors T1 verbunden oder geschaltet, der mittels eines Widerstandes R1 polarisiert ist, und dessen Basis über einen Widerstand R2 ein Signal empfängt, welches am gemeinsamen Punkt M zwischen der Spule S und dem Drain-Anschluss des Transistors PT abgegriffen oder entnommen wurde.
Die Vorrichtung funktioniert in der folgenden Weise. Wenn die Spannung V_c bei einem Niveau vorliegt, welches das Schließen des durch den Transistor PT gebildeten Schalters (2a) steuert, durchquert ein Strom I₁ die Spule S, und dies lediglich bedingt durch das Vorhandensein der umgekehrt oder sperrenden Diode D.
Wenn die Spannung V_c bei einem Niveau vorliegt, so dass der durch den Transistor PT gebildete Schalter offen ist (2b), so durchquert der Strom I₂ in der Spule S nun den Widerstand R_S und die Diode D. Es ist dieser Strom, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, um den Mittelwert des Stromes abzuleiten, der die Spule S durchquert.
Mit der wie oben beschriebenen Anordnung ist der Transistor T2 nicht im geschlossenen Zustand und übermittelt dem Kondensator C_m die zu speichernde Spannung lediglich, wenn der Transistor PT im offenen Zustand vorliegt und wenn der Strom I₂ den Widerstand R_S durchquert. Diese Speicherung durch den Kondensator C_m ermöglicht es anschließend, am Ausgang K den mittleren oder gemittelten Steuerstrom I_m in dem Spulenkreis S „wiederherzustellen”, obwohl dieser nicht „sichtbar” für den Dipol D, R_S ist. Das Signal I_m ist gestrichelt in dem Zeitdiagramm von 1b dargestellt.
Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht es somit, den Strom der Spule S unter Parallelschaltung eines sogenannten Widerstandsdiodendipols zu erfassen, die negative Spannung an den zwei Ausgängen des Dipols in eine positive Spannung zu wandeln und schließlich den Stromwert in der Spule S wiederherzustellen dank einer Blockier-, Eich- oder Normierschaltung, die es ermöglicht, einen Mittelwert aus diesem Strom zu extrahieren.
Hieraus resultiert das Fehlen eines Spannungsabfalls, bedingt durch die Messung, wodurch geringe Toleranzen und ein niedrigerer Kostenfaktor erzielt werden.
Der Spannungswert V_m ermöglicht es anschließend, unter Einsatz eines Mikroprozessors MP die Frequenz oder die zyklische Beziehung des Stromes V_c derart nachzuprüfen, dass der mittlere oder gemittelte Strom I_m durch die Spule S bei einem Sollwert beibehalten wird. Die Steuerung des Transistors T2 durch die Steuerspannung der Spule S durch den Transistor T1 ermöglicht die Gewährleistung einer entgegengesetzten Steuerung zwischen dem Transistor PT und dem Transistor T2, d. h., wenn der eine offen ist, so ist der andere geschlossen.
Beispiel: Der Transistor PT kann ein MOS Transistor mit der Bezeichnung BTS611 von der Gesellschaft INFINEON sein. Die Spule S verfügt über einen Widerstand von 8 Ω und eine Induktanz bzw. Selbstinduktanz bzw. Self von 50 mH.
D ist eine Diode 1N4004, R_S = 10 Ω R_c1 = 3,4 kΩ, R_c2 = 1 kΩ
Der Transistor T2 kann ein MOS Transistor mit N Kanal vom Typ 2N7002 sein. R_m = 22 k Ω, C_m = 22
Der Transistor T1 ist ein Transistor vom Typ NPN mit der Bezeichnung BC817.
Die 3, die die Spannung V_m in Abhängigkeit des mittleren oder gemittelten Stromes I_m darstellt, zeigt, dass die Spannung V_m umgekehrt proportional zum mittleren oder gemittelten Strom I_m ist, der sich in der Spule ausbildet. Diese Beziehung ist linear. In 3 ist die Kurve keine Gerade, bedingt durch den gewählten Maßstab der Abszisse, der nicht linear ist.
Die vorangehend beschriebene Vorrichtung kann anschließend in einen Regelkreis integriert werden, z. B. in eine mikroprozessorgestützte Kraftfahrzeugskompressorsteuerung. Die Steuerung wird strommäßig geregelt, um den Kompressor unempfindlich zu gestalten bezüglich einer Fluktuation der Spannung der Batterie des Fahrzeugs, sowie bezüglich der internen Veränderung des Widerstandes und der Induktanz der Spule in Abhängigkeit von der Temperatur.

Claims

Vorrichtung zum Steuern oder Regeln eines ein induktives Element durchquerenden Stromes, umfassend eine Serienschaltung, umfassend das induktive Element und eine Steuereinrichtung, die durch ein Steuersignal gesteuert wird, um das induktive Element zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils, ausgehend von einer elektrischen Versorgungsquelle, zu versorgen, sowie eine Messeinrichtung, die ein Messsignal eines Stromes durch das induktive Element bereitstellt, und umfassend eine Erfassungseinrichtung für ein Signal, repräsentativ für einen Strom durch das induktive Element, und eine Regeleinrichtung, um das Steuersignal in Abhängigkeit eines Sollwertes und des gemessenen Signals zu erzeugen, wobei die Erfassungseinrichtung parallel zu dem induktiven Element (S) einen Zweig oder eine Schaltung umfasst, umfassend in Serie ein erstes Widerstandselement (R_S) und eine Diode (D), wobei die Diode (D) invers oder sperrend vorliegt, wenn die Steuereinrichtung (PT) in einem Zustand vorliegt, in dem das induktive Element (S) mit der Versorgungsquelle gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mittelwertschaltung für das Signal, welches repräsentativ für einen Strom ist, umfasst, um ein Signal zu erzeugen, repräsentativ für den gemittelten oder mittleren Strom in dem induktiven Element, und dass die Mittelwertschaltung oder Mittlerschaltung einen Transistor (T2) umfasst, dessen Port-Elektrode mit dem Sammler eines bipolaren Transistors (T1) verbunden oder geschalten ist, der mittels eines Widerstandes (R₁) polarisiert ist, und dessen Basis über einen Widerstand (R₂) ein von an einem gemeinsamen Punkt (M) zwischen der Spule (S) und dem Drain-Anschluss des Transistors (PT) abgegriffenen Signal abhängiges Umschaltsignal empfängt, um den Transistor entgegengesetzt zu der Steuereinrichtung (PT) umzuschalten, wobei die Drain-Elektrode ein Signal empfängt, repräsentativ für die Spannung an den Kontaktstellen des ersten Widerstandselements (R_S), und wobei die Source-Elektrode, die einen Ausgang für ein Signal (V_m) bildet, repräsentativ für den mittleren oder gemittelten Strom (I_m), mit einem kapazitiven Element (C_m) verbunden ist, und zwar parallel zu einem zweiten Widerstandselement (R_m).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode oder der Drain-Anschluss des Transistors (T2) mit der gemeinsamen Kontaktstelle (E) zwischen dem ersten Widerstand (R_S) und der Diode (D) über eine Teilerbrücke (R_c1, R_c2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilerbrücke (R_c1, R_c2) über ein erstes Ende verfügt, welches mit der gemeinsamen Kontaktstelle (E) verbunden ist, sowie über ein zweites Ende, welches mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden ist, sowie über einen mittleren Punkt (P), der mit der Drain-Elektrode oder dem Drain-Anschluss des Transistors (T2) verbunden ist, wobei die Spannung der Spannungsquelle derart gewählt ist, dass die Spannung am mittleren oder zwischengelagerten Punkt (P) der Teilerbrücke (R_c1, R_c2) über einen Wert ≥ 0 verfügt.