DE19808780A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines VerbrauchersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ansteuerung eines Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines
Verbrauchers sind aus der DE 195 39 071 bekannt. Dort wird
eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines
elektromagnetischen Verbrauchers beschrieben. Das
Magnetventil wird zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in
eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Mehrere Verbraucher
stehen jeweils über erste Schaltmittel mit einem ersten
Anschluß einer Versorgungsspannung und über ein gemeinsames
zweites Schaltmittel mit dem zweiten Anschluß der
Versorgungsspannung in Verbindung. Desweiteren stehen die
Verbraucher über ein Schaltmittel mit einem
Boosterkondensator in Verbindung. Zum beschleunigten
Einschalten wird die am Boosterkondensator anliegende
Spannung an die Verbraucher angelegt. Beim Öffnen des ersten
Schaltmittels, das heißt insbesondere am Ende der
Einspritzung und/oder beim Übergang auf einen anderen
Stromwert, wird die beim Abschalten freiwerdende Energie in
den Boosterkondensator umgeladen.
Häufig reicht die beim Abschalten freiwerdende Energie nicht
aus, um den Boosterkondensator auf eine ausreichend hohe
Spannung aufzuladen, der für einen schnellen Schaltvorgang
benötigt wird.
Aus der DE 29 06 B35 ist ein Verfahren und eine Einrichtung
zum sicheren Schalten von elektromagnetischen Verbrauchern
bekannt. Zum sicheren Schalten wird der Verbraucher vor der
eigentlichen Ansteuerung mit einem Strom beaufschlagt, der
so bemessen ist, daß er nicht zum Schalten des Verbrauchers
führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Verfahren und einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines
Verbrauchers der eingangs genannten Art einen möglichst
schnellen Schaltvorgang des Verbrauchers erzielen zu können.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann die Schaltzeit des
Magnetventils wesentlich verkürzt werden. Andererseits kann
der Aufwand an Bauteilen verringert werden, da eine
niederere Spannung am Boosterkondensator nötig ist, um eine
entsprechende Schaltzeit zu erreichen. Oder es kann ein
Kondensator mit einer geringeren Kapazität verwendet werden.
Desweiteren wird die Verlustleistung in der Schaltung durch
diese Maßnahme verringert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1
eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale.
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird bevorzugt bei Brenn
kraftmaschinen eingesetzt. Dort wird die Kraftstoffzumessung
mittels elektromagnetischer Ventile gesteuert. Diese elek
tromagnetischen Ventile werden im folgenden als Verbraucher
bezeichnet. Die Erfindung ist nicht auf diese Anwendung be
schränkt, sie kann überall dort eingesetzt werden, wo
schnell schaltende elektromagnetische Verbraucher benötigt
werden.
In Fig. 1 sind die wesentlichsten Elemente der erfindungs
gemäßen Einrichtung dargestellt. Bei der dargestellten Aus
führungsform handelt es sich um eine Vierzylinderbrennkraft
maschine. Hierbei ist jedem Verbraucher ein Einspritzventil
und jedem Einspritzventil ein Zylinder der Brennkraftmaschi
ne zugeordnet. Bei höheren Zylinderzahlen der Brennkraftma
schine sind entsprechend mehr Ventile, Schaltmittel und
Dioden vorzusehen.
Mit 100, 101, 102 und 103 sind vier Verbraucher dargestellt.
Jeweils ein Anschluß der Verbraucher 100 bis 103 stehen über
ein Schaltmittel 115, eine Diode 110 und einem Meßmittel 125
mit einer Spannungsversorgung 105 in Verbindung.
Die Diode 110 ist so angeordnet, daß sie mit ihrer Anode mit
dem Schaltmittel 115 und mit ihrer Kathode mit den
Verbrauchern (100 bis 103) in Verbindung steht. Bei dem
Schaltmittel 115 handelt es sich vorzugsweise um einen
Feldeffekttransistor.
Jeweils der zweite Anschluß der Verbraucher 100 bis 103
steht über jeweils ein zweites Schaltmittel 120, 121, 122
und 123 mit einem Widerstandsmittel 125 in Verbindung. Bei
dem Schaltmittel 120 bis 123 handelt es sich ebenfalls vor
zugsweise um Feldeffekttransistoren. Die Schaltmittel 120
bis 123 werden als Lowside-Schalter und das Schaltmittel 115
als Highside-Schalter bezeichnet. Der zweite Anschluß des
Widerstandsmittels 125 steht mit dem zweiten Anschluß der
Spannungsversorgung in Verbindung.
Jedem Verbraucher 100 bis 103 ist eine Diode 130, 131, 132
und 133 zugeordnet. Der Anodenanschluß der Dioden steht je
weils mit dem Verbindungspunkt zwischen Verbraucher und
Lowside-Schalter in Kontakt. Der Kathodenanschluß steht mit
einem Kondensator 145 sowie einem weiteren Schaltmittel 140
in Verbindung. Der zweite Anschluß des Schaltmittels 140
steht über eine Diode 142 mit den ersten Anschlüssen der
Verbraucher 100 bis 103 in Kontakt. Bei dem Schaltmittel 140
handelt es sich ebenfalls vorzugsweise um einen
Feldeffekttransistor. Dieses Schaltmittel 140 wird auch als
Booster-Schalter bezeichnet. Der zweite Anschluß des
Kondensators 145 steht ebenfalls mit dem zweiten Anschluß
der Versorgungsspannung 105 in Verbindung.
Der Highside-Schalter 115 wird von einer Steuereinheit 160
mit einem Ansteuersignal AH beaufschlagt. Das Schaltmittel
120 wird von der Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal
AL1, das Schaltmittel 121 mit einem Ansteuersignal AL2, das
Schaltmittel 122 mit einem Ansteuersignal AL3, das Schalt
mittel 123 mit einem Ansteuersignal AL4 und das Schaltmittel
140 mit einem Ansteuersignal AC beaufschlagt.
Zwischen dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung 105
und dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 110 und den
ersten Anschlüssen der Verbraucher 100 bis 103 ist eine
Diode 150 geschaltet. Hierbei ist die Anode der Diode mit
dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung 105 verbunden.
Mittels des Widerstandes 125 kann der durch den Verbraucher
fließende Strom ermittelt werden.
Mit der dargestellten Anordnung ist eine Strommessung über
den Strommeßwiderstand 125 nur möglich, wenn eines der
Schaltmittel 120 bis 123 und einer der High-Side-Schalter
(115, 140) geschlossen ist. Um den Strom auch bei geöffneten
Lowside-Schaltern erfassen zu können, kann der
Strommeßwiderstand auch an anderer Stelle angeordnet werden.
Beispielsweise kann der zweite Anschluß des Kondensators 145
mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Strommeßmittel 125 und
dem Schaltmittel 120 bis 123 verbunden werden. In diesem
Fall ist auch eine Strommessung bei gesperrtem
Lowside-Schalter möglich. Ferner kann das Strommeßmittel
zwischen der Spannungsversorgung und dem Highside-Schalter
bzw. Im ersten oder zweiten Anschluß der Verbraucher an
geordnet sein.
Anstelle des Widerstands 125 bzw. zusätzlich zu dem
Widerstand 125 kann ein weiterer Widerstand 126 zwischen dem
ersten Anschluß der Spannungsversorgung 105 und dem High
side-Schalter 115 angeordnet sein. Mit diesem Widerstand 126
kann ebenfalls eine Strommessung erfolgen.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltmittel 140 und dem
Kondensator 145 steht mit Kathode einer weiteren Diode 180
in Kontakt. Die Anode der Diode 180 steht mit dem
Verbindungspunkt zwischen einer Induktivität 170 und einem
weiteren Schaltmittel 175 in Verbindung. Das Schaltmittel
175 wird auch als Ladeschalter bezeichnet. Ein zweiter
Anschluß des weiteren Schaltmittels steht mit dem zweiten
Anschluß des Kondensators 145 bzw. mit dem zweiten Anschluß
der Versorgungsspannung 105 in Verbindung. Die Induktivität
170 steht ferner mit dem ersten Anschluß der
Versorgungsspannung in Verbindung.
Die Induktivität 170, der Ladeschalter 175 und die Diode 180
bilden einen Spannungswandler. Anstelle dieser Elemente kann
auch eine andere Ausgestaltung eines Spannungswandlers,
insbesondere eines DC/DC Gleichspannungswandlers eingesetzt
werden. Der Ladeschalter wird ebenfalls von der
Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal AS beaufschlagt.
In jedem Zumeßzyklus werden verschiedene Phasen unterschie
den. In einer Phase 0, vor dem Zeitpunkt t1, der vor der
Ansteuerung des Verbrauchers liegt, ist die Endstufe
abgeschaltet. Die Ansteuersignale AC, AH und AL befinden
sich auf niederem Potential. Dies bedeutet, daß der
Highside-Schalter 115, die Lowside-Schalter 120 bis 123 und
der Boosterschalter 140 den Stromfluß sperren. Durch die
Verbraucher fließt kein Strom. Der Kondensator 145 ist auf
seine maximale Spannung UC aufgeladen, die vorzugsweise
höher als die Versorgungsspannung Ubat ist. Diese nimmt bei
spielsweise einen Wert von ca. 80 Volt an, wohingegen die
Spannung der Spannungsversorgung einen Wert von ca. 12 V an
nimmt.
In einer ersten Phase zwischen den Zeitpunkten t1 und t2,
die unmittelbar vor der eigentlichen Ansteuerung liegt und
als Vorbestromungsphase bezeichnet wird, verbleibt das
Ansteuersignal AC für den Boosterschalter 140 auf seinem
Pegel, so daß der Schalter 140 weiter sperrt. Die
Ansteuersignale AH und AL für den Highside-Schalter 115 und
dem Verbraucher zugeordneten Lowside-Schalter werden auf
hohen Pegel gesetzt, damit diese Schalter den Stromfluß
freigeben. Somit fließt ein Strom von der
Spannungsversorgung 105, den Highside-Schalter 115 über die
Diode 110, den Verbraucher, den entsprechenden
Lowside-Schalter, den Strommeßwiderstand 125 zurück zur
Spannungsquelle 105. Durch Antakten des High-Side-Schalters
wird der Strom, der mittels des Strommeßwiderstandes 125
erfaßt wird, auf einen vorgebbaren Wert für den
Vorbestromungsstrom IV geregelt. Das heißt, bei Erreichen
des Sollstroms IV für den Anzugsstrom wird der
Highside-Schalter 115 so angesteuert, daß er sperrt. Bei Un
terschreiten einer weiteren Schwelle wird er wieder freige
geben.
Der Sollwert für den Vorbestromungsstrom IV ist gewählt, daß
sich im Verbraucher ein Magnetfeld aufbaut, das aber noch
nicht zum Schalten des Verbraucher ausreicht.
Bei gesperrten Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilauf
kreis. Der Strom fließt vom Verbraucher durch den
Lowside-Schalter, den Widerstand 125 und die Freilaufdiode
150.
Die erste Phase endet, mit der eigentlichen Ansteuerung des
Verbrauchers zum Zeitpunkt t2. Eine zweite Phase ist durch
die Zeitpunkte t2 und t3 definiert. Die zweite Phase liegt
zu Beginn der Ansteuerung und wird auch als Boosterphase
bezeichnet. In dieser Phase wird der Lowside-Schalter
angesteuert, der dem Verbraucher zugeordnet ist, der Kraft
stoff zumessen soll. Dies bedeutet, daß in der Phase 1 das
Signal AL einen hohen Pegel annimmt. Gleichzeitig nimmt das
Ansteuersignal AC für den Boosterschalter 140 einen hohen
Pegel an, das den Schalter 140 durchsteuert. Die Stellung
des High-Side-Schalters ist ohne Bedeutung. In der Regel
wird der Highside-Schalter 115 nicht angesteuert, dieser
sperrt in der zweiten Phase.
Diese Ansteuerung der Schaltmittel bewirkt, daß vom
Kondensator 145 über den Boosterschalter 140, den
entsprechenden Verbraucher, den dem Verbraucher zugeordneten
Lowside-Schalter und das Strommeßmittel 125 ein Strom
fließt. In dieser Phase steigt der Strom I bedingt durch die
hohe Spannung am Verbraucher sehr schnell an. Zu Beginn der
eigentlichen Ansteuerung wird der Verbraucher mit einer
erhöhten Spannung beaufschlagt, die wesentlich größer als
die Versorgungsspannung ist. Die Versorgungsspannung nimmt
üblicherweise Werte um 12 oder 24 Volt und die erhöhte
Spannung Werte von ca. 60 bis 100 Volt an. Die zweite Phase
endet, wenn die am Kondensator 145 anliegende Spannung einen
bestimmten Wert U2 unterschreitet, oder der Strom im
Verbraucher einen definierten Wert erreicht hat.
Eine dritte Phase, die durch Zeitpunkte t3 und t4 definiert
ist, wird als Anzugsstromphase bezeichnet. In dieser Phase
wird der Einschaltstrom von dem Highside-Schalter 115
übernommen und der Booster inaktiviert. In der dritten Phase
wird das Ansteuersignal für den Boosterschalter 140 zurück
genommen, so daß der Schalter 140 sperrt. Die Ansteuersignale
AH und AL für den Highside-Schalter 115 und dem Verbrau
cher zugeordneten Lowside-Schalter werden auf hohen Pegel
gesetzt, damit diese Schalter den Stromfluß freigeben. Somit
fließt ein Strom von der Spannungsversorgung 105 über den
Highside-Schalter 115, die Diode 110, den Verbraucher, den
entsprechenden Lowside-Schalter, den Strommeßwiderstand 125
zurück zur Spannungsquelle 105. Durch Antakten des High-
Side-Schalters kann der Strom, der mittels des Strommeß
widerstandes 125 erfaßt wird, auf einen vorgebbaren Wert für
den Anzugsstrom IA geregelt werden. Das heißt, bei Erreichen
des Sollstroms IA für den Anzugsstrom wird der
Highside-Schalter 115 so angesteuert, daß er sperrt. Bei Un
terschreiten einer weiteren Schwelle wird er wieder freige
geben.
Bei gesperrten Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilauf
kreis. Der Strom fließt vom Verbraucher durch den
Lowside-Schalter, den Widerstand 125 und die Freilaufdiode
150.
Die dritte Phase endet, wenn von der Steuereinheit 160 das
Ende der Anzugsphase erkannt wird. Dies kann z. B. der Fall
sein, wenn eine bestimmte Anzugszeit abgelaufen ist oder
wenn eine Schaltzeitpunkterkennung erkennt, daß der
Magnetventilanker seine neue Endlage erreicht hat. Erkennt
die Schaltzeitpunkterkennung nicht innerhalb einer vorgege
ben Zeit, daß der Magnetventilanker seine neue Endlage er
reicht hat, so wird auf Fehler erkannt.
An die dritte Phase schließt sich eine vierte Phase an, die
durch die Zeitpunkte t4 und t5 definiert ist, und auch als
Haltestromregelung bezeichnet wird. Entsprechend wie in der
dritten Phase bleibt das Ansteuersignal für den
Lowside-Schalter auf seinem hohen Niveau, das heißt der dem
Verbraucher zugeordnete Lowside-Schalter bleibt geschlossen.
Durch Öffnen und Schließen des High-Side-Schalters 115 wird
der Strom, der durch den Verbraucher fließt, auf den Soll
wert IH für den Haltestrom eingeregelt. Bei; gesperrten
Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilaufkreis. Der Strom
fließt vom Verbraucher durch den Lowside-Schalter, den Wi
derstand 125 und die Freilaufdiode 150. Die Phase 4 ist be
endet, wenn der Einspritzvorgang abgeschlossen ist. Der
Sollwert IH für den Haltestrom ist so gewählt, daß er
möglichst klein ist aber ausreicht um den Verbraucher in
seiner Stellung zu halten.
Insbesondere beim Abschalten des Verbrauchers zum Zeitpunkt
t5 erfolgt eine Schnellöschung. Beim Übergang zwischen dem
Anzugsstroms in der Phase 3 und dem Haltestrom in Phase 4
kann ebenfalls eine Schnellöschung erfolgen. Bei der
Schnellöschung wird der entsprechende Lowside-Schalter
abgeschaltet und der Highside-Schalter 115 bleibt
durchgesteuert. Dadurch fällt der Strom, der durch den
Verbraucher fließt, schnell auf den Wert Null ab.
Gleichzeitig steigt die Spannung U, die am Kondensator 145
anliegt an. Die beim Abschalten freiwerdende Energie wird
dabei in den Kondensator 145, 146 umgeladen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Schnellöschung wird
der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter gesperrt.
In den Phasen zwei und drei erfolgt eine Stromregelung durch
Antakten des High-Side-Schalters. Bei gesperrtem
Highside-Schalter ist die Freilaufdiode 150 aktiv. In diesen
Phasen fällt der Strom langsam ab. Dies führt zu einer ge
ringeren Schaltfrequenz.
In einer fünften Phase zwischen den Zeitpunkten t5 und t6,
ist die Endstufe inaktiv, das heißt, es erfolgt keine
Kraftstoffzumessung. Dies bedeutet, das Ansteuersignal AC
für den Booster-Schalter 140, das Ansteuersignal AH für den
Highside-Schalter und das Ansteuersignal AL für die
Lowside-Schalter nehmen alle niedriges Niveau an und alle
Schalter sperren. Der Strom, der durch den Verbraucher
fließt, bleibt auf 0.
In einer sechsten Phase nach der Ansteuerung, die durch die
Zeitpunkte t6 und t7 definiert und auch als Ladephase
bezeichnet ist, wird der Lade-Schalter 175 durch das
Ansteuersignal AS in seinen leitenden Zustand gebracht.
Dadurch wird ein Stromfluß in der Induktivität 170
initialisiert. Der Strom fließt von der Spannungsquelle 105
über den Schalter 175 und die Induktivität 170 in die
Spannungsquelle 105. Nach einer vorgegebenen Zeit, die so
gewählt ist, daß in die Induktivität ausreichend Energie
eingespeichert ist, wird der Lade-Schalter so angesteuert,
daß er öffnet. Dies bewirkt wiederum eine Schnellöschung der
Induktivität 170 über die Diode 180 in den Kondensator 145.
Dadurch steigt die am Kondensator 145 anliegende Spannung
an. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Spannung
am Kondensator 145 einen vorgegebenen Wert U1 erreicht.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, das eine vorgegebene
Anzahl von Ansteuerung erfolgt oder daß der Ladeschalter 175
für eine vorgegebene Zeitdauer mit einem getakteten Signal
mit vorgegebener Frequenz und Tastverhältnis angesteuert
wird.
Der DC/DC-Wandler kann, da er zur Nachladung keine
Verbraucher verwendet, jederzeit den Kondensator nachladen.
Vorzugsweise ist aber vorgesehen, daß in der Boosterphase
und der Anzugsphase, das heißt zwischen den Zeitpunkten t2
und t4, ist der DC/DC-Wandler nicht aktiv, da ansonsten sehr
hohe Stromwerte auftreten können.
In der sich anschließenden siebten Phase zwischen den
Zeitpunkten t7 und t8, werden alle Ansteuersignale
zurückgenommen und alle Schalter in ihrem gesperrten Zustand
gebracht. Diese Phase entspricht der Phase 0.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen
sein, daß die beim Abschalten freiwerdende Energie nicht in
den Kondensator umgeladen wird, wobei dieser dann lediglich
durch den Spannungswandler geladen wird.
Claims (6)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers,
insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der
Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine, dadurch
gekennzeichnet, daß vor Beginn der Ansteuerung der
Verbraucher mit einem Vorbestromungsstrom beaufschlagt und
zu Beginn der Ansteuerung mit einer erhöhten Spannung
beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Spannung wesentlich
größer als eine Versorgungsspannung ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vorbestromungswert so
bemessen ist, daß er nicht zum Schalten des Verbrauchers
ausreicht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Spannung von einem
Kondensator bereitgestellt wird, der mittels der Verbraucher
und/oder eines Spannungswandlers geladen wird.
5. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers,
insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der
Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine, mit
wenigstens einem ersten Schaltmittel, das zwischen einem
Anschluß des Verbrauchers und einer Versorgungsspannung
angeordnet ist, einem zweiten Schaltmittel, das einen
Anschluß des Verbrauchers mit einer zweiten Spannungsquelle
verbindet, die eine höhere Spannung als die
Versorgungsspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel vorgesehen sind, die vor Beginn der Ansteuerung den
Verbraucher mit einem Vorbestromungsstrom beaufschlagen und
zu Beginn der Ansteuerung mit der zweiten Spannungsquelle
verbinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei der zweiten Spannungsquelle um einen
Spannungswandler handelt.
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