DE102006057523A1

DE102006057523A1 - Regelverfahren für eine Volumenstromregelung

Info

Publication number: DE102006057523A1
Application number: DE102006057523A
Authority: DE
Inventors: Christoph FÖRSTER; Matthias Wiese
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: DE102006057523B4; CN101558229B; CN101558229A; WO2008086909A1; US8091529B2; US20100023244A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds, insbesondere für ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: Vorgabe eines Sollwerts für eine Stellgröße des Stellglieds; Ansteuerung des Stellglieds mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steuersignal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis und einer vorgegebenen Periodendauer zur Einstestimmung eines Stromgrenzwerts (IMAX) entsprechend dem vorgegebenen Sollwert für die Stellgröße; Laufende Messung des durch das Stellglied fließenden Stroms (IIST) während der Ansteuerung mit dem Steuersignal und bereits vor dem Ende der Periodendauer; Vergleich des gemessenen Stroms (IIST) mit dem Stromgrenzwert (IMAX) und Abschalten des durch das Stellvor dem Ende der Periodendauer des Steuersignals, wenn der gemessene Strom (IIST) den Stromgrenzwert (IMAX) überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds gemäß dem Hauptanspruch, insbesondere für ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine.
Moderne Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen weisen in der Regel einen Hochdruckkraftstoffkreislauf auf, über den die Einspritzventile der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff versorgt werden, wobei in dem Hochdruckkraftstoffkreislauf ein Volumenstromregelventil (VCV: Volume Control Valve) angeordnet ist, das in Abhängigkeit von seiner Ansteuerung einen bestimmten Kraftstoffvolumenstrom durchlässt. Die Ansteuerung des Volumenstromregelventils erfolgt herkömmlicherweise über eine Endstufe durch ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal, dessen Tastverhältnis in Abhängigkeit von dem gewünschten Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils variiert wird. Zur Regelung der Ansteuerung des Volumenstromregelventils wird am Ende jeder Periodendauer des pulsweitenmodulierten Steuersignals der durch das Volumenstromregelventil fließende elektrische Strom gemessen, der den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils wiedergibt. In Abhängigkeit von dem so ermittelten Ist-Wert des durch das Volumenstromregelventil fließenden Stroms bzw. des entsprechenden Öffnungsgrads des Volumenstromregelventils wird dann im Rahmen einer Regelung das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Steuersignals verändert, um den gewünschten Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils einzustellen.
Nachteilig an diesem bekannten Regelverfahren zur Ansteuerung des Volumenstromregelventils ist die Totzeit, die daraus resultiert, dass die Steuergröße nur von einer Periodendauer zur nächsten Periodendauer geändert wird, nicht dagegen aber innerhalb einer Periodendauer.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend beschriebenen bekannten Regelverfahrens besteht in dem Über- bzw. Unterschwingen des Volumenstromregelventils um den vorgegebenen Soll-Wert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das vorstehend beschriebene bekannte Regelverfahren entsprechend zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Regelverfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, bei der Ansteuerung eines Stellgliedes (z.B. eines Volumenstromregelventils in einer Einspritzanlage) mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal den durch das Stellglied fließenden elektrischen Strom abzuschalten, wenn der Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen bekannten Regelverfahren wirkt die Regelung also nicht nur von Periodendauer zu Periodendauer, sondern bereits innerhalb einer Periodendauer, so dass das erfindungsgemäße Regelverfahren nahezu totzeitfrei ist.
Das erfindungsgemäße Regelverfahren unterscheidet sich von dem eingangs beschriebenen herkömmlichen Regelverfahren deshalb dadurch, dass der durch das Stellglied fließende Strom nicht nur zu einem vorgegebenen Zeitpunkt am Ende der Periodendauer gemessen wird, sondern bereits vor dem Ende der Pe riodendauer, um erkennen zu können, wenn der durch das Stellglied fließende Strom den vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet. Vorzugsweise wird der durch das Stellglied fließende Strom während der gesamten Periodendauer des pulsweitenmodulierten Steuersignals gemessen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der durch das Stellglied fließende Strom nicht während der gesamten Periodendauer des pulsweitenmodulierten Steuersignals gemessen wird, sondern nur während der Phase des pulsweitenmodulierten Steuersignals, in der der Strom durch das elektrische Stellglied fließt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird vorzugsweise zunächst ein Soll-Wert für eine Stellgröße des Stellglieds vorgegeben, wobei es sich beispielsweise um den Öffnungsgrad eines Volumenstromregelventils in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine handeln kann.
Anschließend wird dann entsprechend dem vorgegebenen Soll-Wert für die Stellgröße ein korrespondierender Stromgrenzwert bestimmt, da beispielsweise bei einem Volumenstromregelventil der durch das Volumenstromregelventil fließende elektrische Strom ein Maß für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils ist.
Das Stellglied wird dann mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steuersignal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis und einer vorgegebenen Periodendauer angesteuert, um den gewünschten Soll-Wert der Stellgröße einzustellen.
Während dieser Ansteuerung wird laufend der durch das Stellglied fließende Strom mit dem vorgegebenen Stromgrenzwert verglichen, wobei die Strommessung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann. In jedem Fall aber muss die Strommessung in hinreichend kurzen Zeitabständen erfolgen, um eine ausreichend schnelle Abschaltung des Stroms zu ermöglichen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens wird der durch das Stellglied fließende Strom dann bereits vor dem Ende der Periodendauer des Steuersignals abgeschaltet, wenn der gemessene Strom den vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird der vorgegebene Soll-Wert für die Stellgröße des Stellglieds hochdynamisch ohne Totzeiten eingestellt. Darüber hinaus müssen störende Einflüsse, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, hierbei nicht mehr zusätzlich durch eine Vorsteuerung korrigiert werden.
Das Abschalten des durch das Stellglied fließenden Stroms beim Überschreiten des vorgegebenen Stromgrenzwertes erfolgt vorzugsweise durch eine Pegeländerung des pulsweitenmodulierten Steuersignals, was zu einer entsprechenden Änderung des Tastverhältnisses führt.
Das pulsweitenmodulierte Steuersignal weist also vorzugsweise eine konstante Periodendauer auf, wobei das Tastverhältnis entsprechend dem gewünschten Soll-Wert jeweils während der einzelnen Periodendauer geändert wird. Darüber hinaus wird vorzugsweise auch der Stromgrenzwert in Abhängigkeit von dem gewünschten Soll-Wert der Stellgröße festgelegt, so dass der Stromgrenzwert entsprechend dem gewünschten Soll-Wert der Stellgröße zeitlich schwanken kann. Der Stromgrenzwert ist hierbei jedoch vorzugsweise unabhängig von dem Vergleich des gemessenen Stroms mit dem Stromgrenzwert, d.h. der Zeitpunkt der Grenzwertüberschreitung innerhalb der Periodendauer hat keinen Einfluss auf den Stromgrenzwert der nachfolgenden Periode des pulsweitenmodulierten Steuersignals.
Vorzugsweise wird der durch das Stellglied fließende Strom mittels eines Analog/Digital-Wandlers gemessen, was an sich im Stand der Technik hinlänglich bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass es sich bei dem Stellglied vorzugsweise um ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine handelt, wobei die Stellgröße der Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils ist. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Stellglieds nicht auf Volumenstromregelventile beschränkt, sondern beispielsweise auch mit anderen Stellgliedern in Einspritzanlagen realisierbar. Das erfindungsgemäße Regelverfahren lässt sich deshalb allgemein bei Ventilen in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen einsetzen.
Dabei liegt die Periodendauer des Steuersignals in der Regel im Millisekundenbereich, insbesondere im Bereich von 1 Millisekunden bis 10 Millisekunden, wobei sich eine Ansteuerfrequenz von 200 Hertz als vorteilhaft erwiesen hat.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur das vorstehend beschriebene Regelverfahren umfasst, sondern auch ein Computerprogrammprodukt, welches das erfindungsgemäße Regelverfahren ausführt, wenn es in einen entsprechenden Steuerrechner geladen ist und auf diesem abläuft.
Schließlich umfasst die Erfindung auch einen Steuerrechner für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Programmspeicher und einem in dem Programmspeicher gespeicherten Computerprogramm, welches das erfindungsgemäße Regelverfahren ausführt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung zur Ansteuerung eines Volumenstromregelventils einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
2 mehrere Zeitdiagramme mit den zeitlichen Verläufen des durch das Volumenstromregelventil fließenden Stroms, des Stromgrenzwertes und des pulsweitenmodulierten Steuersignals sowie
3 das erfindungsgemäße Regelverfahren in Form eines Flussdiagramms.
Das Schaltbild in 1 zeigt einen stark vereinfachten Schaltkreis zur Ansteuerung eines Volumenstromregelventils VCV in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine.
Das Volumenstromregelventil VCV ist auf seiner Spannungsseite mit einer Batteriespannung VB verbunden, die durch das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird und beispielsweise eine Spannung von +12V aufweisen kann.
Auf seiner Masseseite ist das Volumenstromregelventil VCV dagegen über eine hier nur schematisch dargestellte Endstufe T und einen in Reihe mit der Endstufe T geschalteten Widerstand R mit Masse GND verbunden.
Parallel zu dem Volumenstromregelventil VCV ist eine sogenannte Free-Wheeling-Diode D geschaltet, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die Endstufe T wird durch einen Regler C mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM angesteuert, wobei die Endstufe T low-aktiv ist, d.h. die Endstufe T schaltet durch, wenn das Steuersignal PWM einen Low-Pegel annimmt, wohingegen die Endstufe T sperrt, wenn das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM einen High-Pegel aufweist.
Eingangsseitig nimmt der Regler C einen Soll-Wert α_SOLL für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils VCV auf, wobei der Soll-Wert α_SOLL beispielsweise durch eine elektronische Motorsteuerung (ECU: Electronic Control Unit) der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren das erfindungsgemäße Regelverfahren beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 nimmt der Regler C den Soll-Wert α_SOLL für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils VCV auf, wie bereits vorstehend erwähnt wurde.
In einem weiteren Schritt S2 bestimmt der Regler C dann aus dem vorgegebenen Soll-Wert α_SOLL für den Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils VCV einen entsprechenden Stromgrenzwert I_MAX, der nicht überschritten werden sollte, um den gewünschten Öffnungsgrad α_SOLL einzustellen.
In einem weiteren Schritt S3 steuert der Regler C dann die Endstufe T mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM mit einer konstanten Frequenz von 200 Hz an, wobei der Regler C das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM variieren kann, um den gewünschten Öffnungsgrad einzustellen.
Während der Ansteuerung der Endstufe T mit dem pulsweitenmodulierten Steuersignal PWM misst der Regler C dann in einem schritt S4 laufend die Spannung U(I), die an dem Widerstand R abfällt und damit den Strom I durch das Volumenstromregelventil VCV wiedergibt.
Der Regler C überprüft dabei in einem Schritt S5 laufend, ob der durch das Volumenstromregelventil VCV fließende Strom I den vorgegebenen Stromgrenzwert I_MAX überschreitet.
Falls der Stromgrenzwert I_MAX überschritten wird, so schaltet der Regler C den Strom I durch das Volumenstromregelventil VCV in einem Schritt S6 ab, indem das pulsweitenmodulierte Steuersignal PWM auf einen High-Pegel gesteuert wird, so dass die low-aktive Endstufe T sperrt.
Falls der vorgegebene Stromgrenzwert I_MAX dagegen nicht überschritten wird, so beendet der Regler C die jeweilige Periode ohne eine Änderung des Tastverhältnisses.
Aus dem Zeitdiagramm in 2 ist weiterhin ersichtlich, dass der Stromgrenzwert I_MAX von Periodendauer zu Periodendauer verändert werden kann, um ein gewünschtes zeitliches Öffnungsverhalten des Volumenstromregelventils VCV einzustellen.
Weiterhin ist aus dem Zeitdiagramm in 2 ersichtlich, dass die Ansteuerung der Endstufe T mit einer konstanten Periodendauer erfolgt, wobei lediglich das Tastverhältnis in jeder Periode entsprechend dem jeweiligen Stromverlauf eingestellt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

α_SOLL: Soll-Wert des Öffnungsgrads des Volumenstromregelventils
C: Regler
D: Free-Wheeling-Diode
I: Strom durch das Volumenstromregelventil
I_MAX: Stromgrenzwert
PWM: Pulsweitenmoduliertes Steuersignal
R: Widerstand
T: Endstufe
U(I): Spannungsabfall an dem Widerstand
VB: Batteriespannung
VCV: Volumenstromregelventil

Claims

Regelverfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Stellglieds (VCV), insbesondere für ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: a) Vorgabe eines Sollwerts (α_SOLL) für eine Stellgröße des Stellglieds (VCV), b) Ansteuerung des Stellglieds (VCV) mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Steuersignal (PWM) mit einem vorgegebenen Tastverhältnis und einer vorgegebenen Periodendauer zur Einstellung des gewünschten Sollwerts der Stellgröße, gekennzeichnet durch folgende Schritte: c) Bestimmung eines Stromgrenzwerts (I_MAX) entsprechend dem vorgegebenen Sollwert (α_SOLL) für die Stellgröße, d) Laufende Messung des durch das Stellglied fließenden Stroms (I) während der Ansteuerung mit dem Steuersignal (PWM) und bereits vor dem Ende der Periodendauer, e) Vergleich des gemessenen Stroms (I) mit dem Stromgrenzwert (I_MAX), und f) Abschalten des durch das Stellglied (VCV) fließenden Stroms (I) bereits vor dem Ende der Periodendauer des Steuersignals (PWM), wenn der gemessene Strom (I) den Stromgrenzwert (I_MAX) überschreitet.
Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschalten des Stroms (I) durch das Stellglied (VCV) der Pegel des pulsweitenmodulierten Steuersignals (PWM) geändert wird, was zu einer entsprechenden Änderung des Tastverhältnisses führt.
Regelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsweitenmodulierte Steuersignal (PWM) eine konstante Periodendauer aufweist.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgrenzwert (I_MAX) in Abhängigkeit von dem gewünschten Sollwert (α_SOLL) variabel festgelegt wird.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgrenzwert (I_MAX) unabhängig von dem Vergleich des gemessenen Stroms (I) mit dem Stromgrenzwert (I_MAX) ist.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Stellglied (VCV) fließende Strom (I) mittels eines Analog/Digital-Wandlers gemessen wird.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Stellglied (VCV) ein Volumenstromregelventil in einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine ist, und b) dass die Stellgröße der Öffnungsgrad des Volumenstromregelventils ist.
Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer des Steuersignals (PWM) im Millisekundenbereich, insbesondere im Bereich von 1 ms bis 10 ms liegt.
Computerprogrammprodukt, welches das Regelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt, wenn es in einen Steuerrechner geladen ist.
Steuerrechner für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Programmspeicher und einem in dem Programmspeicher gespeicherten Computerprogramm, welches das Re gelverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.