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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Ventil-Endstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, sowie ein Ventil mit einer Ventil-Endstufe gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8.
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Stromgesteuerte
Ventile, wie sie beispielsweise im Bremskreis von Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden, umfassen eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen
Feldes, das zum Betätigen
eines Ankers dient. Die Höhe
des Stromflusses bestimmt dabei die Stärke des magnetischen Feldes
und damit die Stellung des Ventils (Auf, Zu oder Zwischenstellung).
Zum Einstellen des Stromflusses umfassen bekannte Ventile eine Ventil-Endstufe,
die im Wesentlichen einen Endstufen-Schalter (MOSFET) umfasst, der
von einer Treiber-Elektronik je nach Wunsch angesteuert wird. Die
Ansteuerung des Endstufen-Schalters
erfolgt meist per PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation).
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Bei
den bekannten Ventilen und deren Ventilendstufen kann es zu verschiedenen
elektrischen Fehlern, wie z. B. zu Defekten am Endstufen-MOSEFET,
zu Wicklungs-Kurzschlüssen
oder Nebenschlüssen
an der Spule, oder zu Verdrahtungsdefekten, wie z. B. einer Stromkreisunterbrechung,
kommen. Dadurch kann das Ventil im schlimmsten Fall vollständig ausfallen
oder, wenn sich z. B. die Induktivität der Spule ändert, zumindest
in seiner Stellgenauigkeit erheblich beeinträchtigt werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist es zwar bekannt, schwerwiegende Fehler,
wie z.B. einen Lastabriss oder eine Fehlfunktion des Endstufen-MOSFETs
durch Strom- oder Spannungsmessungen in der Ventil-Endstufe zu detektieren.
Andere Fehlerbilder, wie z. B. ein Wicklungsschluss der Spule, sind bislang
noch nicht erkennbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventil-Endstufe
bzw. ein Ventil mit einer Ventil-Endstufe zu schaffen, mittels derer
ein Fehler oder eine Änderung
an der Spule und vorzugsweise auch an der Ventil-Endstufe selbst
genauer erkannt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Patentanspruch 1 bzw. im Patentanspruch 8 genannten Merkmale
gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Widerstand
der Spule oder einer Spulenanordnung, welche die Spule mit umfasst,
zu messen und auszuwerten. Die Erfindung geht dabei davon aus, dass
sich der Widerstand der Messstrecke bei einem Fehler ändert. Wenn
der gemessene Widerstand von einem zu erwartenden Widerstandswert
zu sehr abweicht, wird ein Fehlerzustand angenommen. Die Erfindung
hat somit den wesentlichen Vorteil, dass ein Fehler an der Spule
bzw. einer Spulenanordnung einfach und genau erkannt werden kann.
Dabei ist es insbesondere auch möglich,
Wicklungsschlüsse
der Spule zu detektieren.
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Zum
Zwecke der Widerstandsmessung ist eine Messeinrichtung vorgesehen,
die vorzugsweise eine elektrische Größe, insbesondere Strom oder Spannung,
die proportional zum Widerstand ist, misst. Unter der Bezeichnung „Widerstandsmessung" soll in diesem Dokument
daher insbesondere die Messung einer proportionalen elektrischen
Größe zu verstehen
sein.
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Wenn
ein Fehler erkannt wurde, können
im Grunde beliebige Maßnahmen
ergriffen werden, um auf den Fehler zu reagieren. So kann z. B.
ein Fahrzeugsystem (z. B. ESP oder ABS), das die Ventile nutzt,
vollständig
deaktiviert oder in seiner Funktion beschränkt, ein Warnsignal erzeugt,
oder andere Maßnahmen
getroffen werden. Die Maßnahmen
können
dabei je nach Art oder Grad des Fehlers unterschiedlich sein.
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Das
Messsignal der Widerstandsmessung kann aber auch dazu genutzt werden,
die Ansteuerung der Ventil-Endstufe an den aktuellen Zustand des
Ventils bzw. der Spulenanordnung anzupassen. So kann z.B. das PWM-Signal,
mit dem der Endstufen-Schalter
eines Ventils üblicherweise
angesteuert wird, abhängig
vom Messergebnis modifiziert werden. Zur Erläuterung: Der ohmsche Widerstand
der Spulenanordnung ist üblicherweise
temperaturabhängig
sowie abhängig
von Fertigungstoleranzen. Dasselbe PWM-Signal bewirkt daher bei
einem erhöhten
Widerstand einen geringeren Stromfluss in der Spule und somit einen
geringeren magnetischen Fluss. Mit Kenntnis des tatsächlichen
Widerstandes der Spulenanordnung lässt sich das Ventil somit nachregeln.
Dadurch kann die Stellgenauigkeit des Ventils deutlich verbessert
werden. Die Ventil-Endstufe umfasst in diesem Fall eine geeignete
Ansteuer-Elektronik, die das Ventil unter Berücksichtigung des Messsignals
der Widerstandsmessung ansteuert bzw. regelt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Widerstand einer Spulenanordnung gemessen, die
wenigstens die Spule des Ventils und einen zugehörigen Endstufen-Schalter der
Ventil-Endstufe umfasst. Dadurch können sowohl Fehler der Spule
als auch des Endstufen-Schalters detektiert werden. Wahlweise könnte auch
nur der Widerstand bzw. der Spannungsabfall an der Spule gemessen
werden.
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Die
Messstrecke wird bei einer Messung vorzugsweise von einer Gleichstrom-
oder einer Gleichspannungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt, wobei
vorzugsweise eine rein ohmsche Widerstandsmessung erfolgt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Stromquelle vorgesehen, die einen vorgegebenen
Strom in die Messstrecke einprägt.
Die Messeinrichtung misst in diesem Fall die an der Spule bzw. Spulenanordnung
abfallende Spannung.
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Wahlweise
könnte
die Messstrecke im Testbetrieb auch von einer Wechselspannungsquelle
versorgt werden. In diesem Fall wäre es auch denkbar, dass ein
Imaginärteil
oder die Phase der Gesamt-Impedanz ausgewertet wird. Dadurch können Informationen über die
Spule unabhängig
von Informationen über
die übrigen
Bestandteile der Spulenanordnung gewonnen werden. Beispielsweise
kann mit Hilfe der Induktivität
bzw. der Phase erkannt werden, ob und in welchem Grad Windungen
der Spule kurzgeschlossen sind. Solche Fehler können allerdings auch aus dem
Realteil der Impedanz erkannt werden.
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Die
von der Quelle erzeugte Spannung an der Spule ist vorzugsweise deutlich,
beispielsweise um einen Faktor 10, kleiner als eine Arbeitsspannung zum Öffnen, Schließen oder
Halten des Ventils. Durch solche Spannungsverhältnisse kann vermieden werden,
dass ein Messvorgang den Zustand des Ventils verändert bzw. in einer ungewollten
Weise beeinflusst.
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Die
Messanordnung ist vorzugsweise für mehrere
Ventile gemeinsam ausgelegt. Dadurch kann eine separate Messanordnung
für jedes
der Ventile entfallen, und es können
Kosten eingespart werden.
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Die
Messeinrichtung umfasst vorzugsweise einen Verstärker zum Verstärken der
abgegriffenen Messspannung.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung umfasst die Messeinrichtung einen Referenzwiderstand,
der über
einen Schalter mit der Stromquelle verbindbar ist. Bei bekanntem
Widerstandswert und bekanntem Strom der Test-Stromquelle kann die
Messeinrichtung durch Messung des Spannungsabfalls am Referenzwiderstand
kalibriert werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Schaltplan einer Ventil-Endstufe nach einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung; und
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2 einen
Schaltplan einer Ventil-Endstufe nach einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung mit einem zusätzlichen
Referenzwiderstand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer Ventil-Endstufe 1 für zwei stromgesteuerte
Ventile 15a, 15b, wie sie beispielsweise in Kfz-Bremsanlagen
verbaut werden. Von den Ventilen 15a, 15b sind dabei
nur die zugehörigen
Spulen 2a bzw. 2b dargestellt. Die beiden parallel
geschalteten Spulen 2a, 2b sind über einen
gemeinsamen Hauptschalter 3 mit einer Versorgungsspannung
U1 verbindbar. Der Schalter 3 ist
im Normalbetrieb dauerhaft eingeschaltet und kann bei einem Fehler
oder einem Messvorgang an einem der Ventile 15a, 15b oder
der Ventil-Endstufe 1 ausgeschaltet werden, um eine falsche
Ansteuerung der Ventile 15a, 15b in jedem Fall
zu verhindern. Der Schalter 3 dient daher im Wesentlichen als
Sicherheitsschalter.
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Jedes
der Ventile 15a, 15b umfasst einen zugehörigen Endstufen-Schalter 5a, 5b,
der von einer Treiber-Elektronik (nicht gezeigt) angesteuert wird. Die
Endstufen-Schalter 5a, 5b sind hier integrierter Bestandteil
der Ventil-Endstufe 1 und versorgungsseitig mit den Spulen 2a bzw. 2b verbunden
(Knoten Q1 bzw. Q2). Die Ansteuerung der Endstufen-Schalter 5a, 5b erfolgt üblicherweise
mittels eines PWM-Signals (PWM: Pulsweitenmodulation), dessen Tastverhältnis den
Stromfluss 1 durch die Spulen 2a, 2b und
damit die Stellung des zugehörigen
Ventils 15a, 15b bestimmt.
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An
den Spulen 2a, 2b als auch an den Endstufen-Schaltern 5a, 5b kann
es zu verschiedenen elektrischen Fehlern, wie z.B. zu einem Wicklungsschluss
an den Spulen 2a, 2b oder zu Defekten einzelner
Zellen der Schalter 5a, 5b kommen. Außerdem kann
sich der Widerstand des Hauptstrompfades z. B: auch temperaturbedingt ändern. Zum
Detektieren solcher Fehler oder Veränderungen umfasst die Ventil-Endstufe 1 eine
Messeinrichtung, die hier insgesamt mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist.
Die Messeinrichtung 9 umfasst im wesentlichen eine Gleichstromquelle 8,
mittels derer ein vorgegebener Strom I in die Spule 2a und/oder 2b eingeprägt werden
kann, sowie eine Anordnung 6, 7 zum Messen der über die
Spule 2a bzw. 2b und deren Endstufen-Schalter 5a bzw. 5b abfallenden
Spannung Umess.
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Die
Messeinrichtung 9 ist zusammen mit den Endstufen-Schaltern 5a, 5b als
integrierter Schaltkreis (ASIC) realisiert.
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Im
Messbetrieb ist der Hauptschalter 3 geöffnet, so dass die Spulen 2a, 2b dann
ausschließlich von
der Stromquelle 8 versorgt werden. Je nach Wunsch kann
nun durch entsprechende Ansteuerung der Endstufen-Schalter 5a, 5b die
Spannung UMess über die Spule 2a und
den Endstufen-Schalter 5a, über die Spule 2b und
den Endstufen-Schalter 5b oder der Spannungsabfall über die
gesamte, parallele Anordnung 2a, 2b, 5a, 5b gemessen
werden. Die Messspannung UMess ist dabei
ein Maß für den Widerstand
der jeweiligen Messstrecke.
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Zum Überprüfen des
ersten Ventils 15a wird der zugehörige erste Endstufen-Schalter 5a geschlossen
(der andere 5b ist geöffnet).
Der von der Gleichstromquelle 8 eingeprägte Strom I fließt dabei über eine
Diode 10, einen Anschlussknoten D1 durch die Spule 2a,
einen Anschlussknoten Q1 und den Endstufen-Schalter 5a gegen
Masse (GND). Dabei wird die am Knoten D2 abfallende Spannung gemessen.
Zum Überprüfen des
zweiten Ventils wird der zugehörige
Endstufen-Schalter 5b geschlossen (der Schalter 5a ist
geöffnet).
Der von der Gleichstromquelle 8 eingeprägte Strom 1 fließt in diesem
Fall durch die zweite Spule 2b und den zugehörigen Endstufen-Schalter 5b gegen
Masse. Dabei wird wiederum die am Knoten D2 anfallende Spannung
UMess gemessen. Wahlweise könnten auch
beide Endstufen-Schalter 5a, 5b geschlossen sein,
um beide Ventile gleichzeitig, parallel zu überprüfen. Während dieser Messphase bleibt
der Schalter 3 geöffnet.
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Der
Messpfad 11, mit dem die Spannung UMess abgegriffen
wird, umfasst einen Widerstand 6 und einen Spannungsverstärker 7,
dessen Ausgangssignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers (ADC)
digitalisiert und weiter verarbeitet wird.
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Um
einen Fehler festzustellen, werden die Messspannungen UMess jeweils
mit einem zu erwartenden Wert verglichen. Wenn die Abweichung des Messsignals
vom zu erwartenden Wert größer ist
als ein vorgegebener Schwellenwert, wird ein Fehlerzustand erkannt.
Als Reaktion auf einen Fehler können im
Grunde beliebige Maßnahmen
getroffen werden. So kann z.B. ein Fahrzeugsystem, wie z.B. ESP
oder ABS, das die Ventile 15a, 15b nutzt, deaktiviert
oder in seinem Funktionsumgang beschränkt werden. Wahlweise könnte auch
ein Fehlersignal erzeugt werden, das z.B. den Fahrer oder einen
Fachmann (z. B. in der Werkstatt) auf einen Fehlerzustand im Bremssystem
hinweist.
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Das
Messsignal UMess kann wahlweise auch dazu
genutzt werden, die Ansteuerung der Endstufen-Schalter 5a, 5b im
Normalbetrieb an den aktuellen Zustand des Ventils 15a, 15b anzupassen.
Mit Kenntnis des tatsächlichen
Widerstandswertes aus der Widerstandsmessung kann z. B. das PWM-Signal,
mit dem die Endstufen-Schalter 5a, 5b angesteuert
werden, nachgeregelt werden. Aus dem gemessen Widerstand könnte z.
B. auch die Temperatur des Ventils oder des Hydroaggregats der Bremshydraulik ermittelt
werden.
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Die Überprüfung der
Ventile kann beispielsweise bei jedem Neustart eines Fahrzeugs oder
zumindest in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden.
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Die
Gleichstromquelle 8 wird von einer Versorgungsspannung
U3 versorgt. Solange die Spannung U3 kleiner ist als die Versorgungsspannung
U1 für
den Normalbetrieb, vorzugsweise gilt U3 << U1, wird
der Normalbetrieb der Ventile 15a, 15b nicht gestört.
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Jede
der Spulen 2a, 2b umfasst außerdem eine Freilaufdiode DA bzw. DB, die jeweils
mit den beiden Anschlüssen
der Spulen 2a bzw. 2b verbunden ist.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer Ventil-Endstufe 1 mit einer Messeinrichtung 9,
die im Wesentlichen identisch aufgebaut ist wie in 1. Zusätzlich zu 1 umfasst
die Messeinrichtung 9 hier verschiedene Bauelemente 12, 13, 14 zum
Kalibrieren der Messeinrichtung 9.
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Die
Kalibrier-Anordnung umfasst im Wesentlichen einen Referenzwiderstand 14,
der über
einen Schalter 13 mit der Stromquelle 8 verbindbar
ist, sowie einen Wählschalter 12,
mittels dessen wahlweise ein Knoten D2 oder ein Knoten D3 zum Zwecke
der Spannungsmessung ausgewählt
werden kann. In der hier dargestellten Position des Wählschalters 12 ist der
Knoten D3 zum Zwecke der Spannungsmessung ausgewählt. Es wird daher die über dem
Schalter 13 und dem Referenzwiderstand 14 abfallende
Spannung gemessen. Die beiden Endstufen-Schalter 5a, 5b sind
dabei geöffnet.
Der gesamte Strom der Stromquelle 8 fließt daher über den
Knoten D3, den Schalter 13 und den Referenzwiderstand 14 gegen Masse.
Da der Strom 1 und der Widerstand RRef des Referenzwiderstandes 14 genau
bekannt sind, muss die Spannungsmessung einen bestimmten Spannungswert
UMess ergeben. Die Messanordnung 9 bzw. eine
zugehörige,
am Knoten UMess angeschlossene Auswerteschaltung
(nicht gezeigt) kann somit kalibriert werden. Zum Durchführen einer
Widerstandsmessung der Spulen 2a, 2b wird der
Wählschalter 12 wieder
in die andere Position geschaltet.