DE19915593A1 - Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung, bei der ein Anschluß des induktiven Bauteils mit einem Meßwiderstand verbunden ist und bei der der Stromfluß durch das induktive Bauteil mittels einer von einer Ansteuerschaltung generierten Pulsweitenmodulation gesteuert wird. DOLLAR A Zur Bestimmung der mittleren Stromstärke durch das induktive Bauteil ist dem Meßwiderstand ein Tiefpaß parallel geschaltet und ein dem Tiefpaß nachgeschaltetes von einer Ansteuerschaltung synchron zur Pulsweitenmodulation gesteuertes Ausleseelement vorgesehen.

Description

Induktive Bauteile, bsp. induktive Aktoren, werden in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, bsp. im Kraftfahrzeugbereich in Steuergeräten als elektro-pneumatische Wandler oder Proportionalventile (Magnetventile). Diese induktiven Bauteile beste­ hen in der Regel aus einem Elektromagneten (einer Spule) und einem beweglichen Anker, wobei die mit dem Elektromagneten erzeugte und den Anker bewegende magnetische Feldstärke proportional zum Strom durch den Elektromagneten (die Spule) ist. Zur Realisierung variabler Ströme und damit variabler magnetischer Feld­ stärken, verwendet man oftmals die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM); bei dieser wird der Elektromagnet (die Spule) getaktet bestromt, indem von einer An­ steuerschaltung ein bestimmtes Tastverhältnis (Puls-Pause-Verhältnis) variierbar vorgegeben und hierdurch der Stromfluß durch den Elektromagneten (die Spule) und damit durch das induktive Bauteil eingestellt wird: während der Pulsdauer (Ansteu­ erphase) wird der Elektromagnet mit der Versorgungsspannung beaufschlagt, wo­ durch der Ansteuerstrom im Ansteuerkreis und damit der Spulenstrom exponentiell ansteigt; in der Pulspause (Freilaufphase) wird die Versorgungsspannung am Elek­ tromagneten abgeschaltet, wodurch der Spulenstrom infolge der Selbstinduktion als Freilaufstrom in einem Freilaufkreis weiterfließt und sich allmählich wieder abbaut.

In einigen Anwendungsfällen ist es erforderlich, den durch das induktive Bauteil flie­ ßenden Strom bzw. den Spulenstrom zu bestimmen - bsp. um auf (insbesondere bei externen Einflüssen oder Störgrößen auftretende) Veränderungen der Betriebsbe­ dingungen des induktiven Bauteils angemessen reagieren zu können (bsp. auf eine Änderung des Spulenwiderstands infolge Erwärmung); oftmals genügt es jedoch dabei, nur den arithmetischen Mittelwert des durch das induktive Bauteil fließenden Stroms bzw. den Mittelwert des Spulenstroms (den mittleren Spulenstrom) zu be­ stimmen - bsp. wird die Auslenkung des Ankers durch den mittleren Spulenstrom bestimmt, der sich aus dem durch die Ansteuerschaltung vorgegebenen Tastver­ hältnis der Pulsweitenmodulation, dem Innenwiderstand der Spule und der Höhe der Versorgungsspannung ergibt.

Üblicherweise erfolgt die Bestimmung des Spulenstroms mittels eines in Reihe zur Spule geschalteten Meßwiderstands (Shunt), der die Spannungsverhältnisse so ge­ ring wie möglich beeinflussen soll; dieser demzufolge niederohmige Meßwiderstand wird sowohl vom Ansteuerstrom als auch vom Freilaufstrom durchflossen, wobei die am Meßwiderstand abfallende Spannung ein Maß für den Spulenstrom ist. Aus schaltungstechnischen Gründen ist oftmals ein Anschluß der Spule mit der Versor­ gungsspannung verbunden, d. h. der Meßwiderstand ist an den nicht mit der Versor­ gungsspannung verbundenen Anschluß der Spule angeschlossen; hierdurch ergibt sich jedoch eine aufwendige und störanfällige Bestimmung des Spulenstroms, da die am niederohmigen Meßwiderstand abfallenden kleinen Spannungen gleichzeitig bei einer (aufgrund der Änderung des Bezugspotentials für den Meßwiderstand er­ forderlichen) großen Gleichtaktunterdrückung gemessen werden müssen. Deshalb werden hierfür üblicherweise hochgenaue Differenzverstärker eingesetzt, die jedoch (insbesondere für den Serieneinsatz) sehr teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung ergeben sich aus den weite­ ren Patentansprüchen.

Zur Bestimmung des Stroms durch das induktive Bauteil (zur Bestimmung des Spu­ lenstroms) ist ein zum Meßwiderstand (Shunt) parallel geschalteter Tiefpaß (d. h. mit den beiden Anschlüssen des Meßwiderstands verbundener Tiefpaß) und ein dem Tiefpaß nachgeschaltetes, von der die Pulsweitenmodulation generierenden Ansteu­ erschaltung angesteuertes Ausleseelement vorgesehen. Durch den Tiefpaß wird der Spannungsabfall am Meßwiderstand gemittelt, wobei diese gemittelten Spannungs­ werte ein Maß für den Mittelwert des Spulenstroms (den mittleren Spulenstrom) sowohl in der Freilaufphase als auch in der Ansteuerphase sind; durch das Ausle­ seelement werden die gemittelten Spannungswerte gezielt ausgelesen und als Aus­ gangsspannung zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Da das Ausleseelement von der gleichen Ansteuerschaltung wie für das Einschalten des Spulenstroms (d. h. zur Generierung der Pulsweitenmodulation) angesteuert wird, werden die gemittel­ ten Spannungswerte während einer Ansteuerphase nur dann zur Weiterverarbeitung bereitgestellt, wenn die Pegelbedingungen "richtig" sind, d. h. wenn die (immer glei­ chen) für ein Auslesen der Spannungswerte geeigneten Spannungsverhältnisse am Tiefpaß vorliegen.

Durch geeignete Dimensionierung des bsp. aus einem Widerstand und einem Kon­ densator bestehenden Tiefpasses - insbesondere wird die Zeitkonstante des Tief­ passes passend zur Ansteuerfrequenz der Pulsweitenmodulation vorgegeben - wird eine Mittelwertbildung des Spulenstroms vorgenommen, die hinreichend genau zur Weiterverarbeitung ist; d. h. der Strom wird in einen Spannungsabfall am Meßwider­ stand als Maß für den Strom durch das induktive Bauteil bzw. für den Spulenstrom zur Weiterverarbeitung geeignet transformiert.

Zur Verstärkung des gemittelten Spannungsabfalls am Meßwiderstand kann dem Tiefpaß ein Verstärker nachgeschaltet sein; dieser Verstärker ist bsp. als nicht- invertierender Operationsverstärker (OPV) ausgebildet, d. h. der Eingang des Ver­ stärkers ist mit dem Ausgang des Tiefpasses und der Ausgang des Verstärkers mit dem Ausleseelement verbunden.

Die Weiterverarbeitung des gemittelten Spannungsabfalls (der Ausgangsspannung) kann bsp. durch eine dem Ausleseelement nachgeschaltete Auswerteeinheit erfol­ gen; diese Auswerteeinheit ist bsp. als Microcontroller ausgebildet, wobei in diesem Fall das Ausleseelement bsp. als A/D-Wandler des Microcontrollers realisiert wer­ den kann, dem der anstehende Meßwert synchron zu einer Ansteuerphase der Pulsweitenmodulation für die Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.

Vorteilhafterweise wird mit der einfachen und billigen Schaltungsanordnung eine direkte Strommessung am Meßwiderstand vorgenommen und damit sowohl der Ansteuerstrom als auch der Freilaufstrom erfaßt, wobei das Auslesen der Meßwerte nur beim Vorliegen günstiger Spannungsverhältnisse erfolgt.

Die Erfindung soll nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch das induktive Bauteil,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung.

Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung aus dem induktiven Bauteil 1, dessen einer Anschluß mit der Versorgungsspannung U_B (bsp. im Kraftfahrzeug mit der Klemme 15) und dessen anderer Anschluß mit dem Meßwi­ derstand 2 (Shunt) mit einem Widerstandswert von bsp. 0.1 Ω verbunden ist. Der Stromfluß durch das induktive Bauteil 1 wird durch ein von einer Ansteuerschaltung 3 mittels Pulsweitenmodulation PWM angesteuertes Schaltelement 4 (bsp. ein Feld­ effekt-Transistor) vorgegeben, wobei in der Ansteuerphase der Pulsweitenmodula­ tion PWM das Schaltelement 4 geschlossen ist und der Ansteuerstrom I_A durch das induktive Bauteil 1 und den Meßwiderstand 2 fließt, während in der Freilaufphase der Pulsweitenmodulation PWM das Schaltelement 4 geöffnet ist und der Freilauf­ strom I_F über die Freilaufdiode 5 fließt.

Zur Bestimmung des Stromflusses durch das induktive Bauteil 1 ist parallel zum Meßwiderstand 2 der Tiefpaß 6 vorgesehen, der bsp. aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 besteht. Die Spannung U_C am Kondensator C1 bzw. am Aus­ gang des Tiefpasses 6 ist ein Maß für den direkt am Meßwiderstand 2 gebildeten Mittelwert des Stroms durch das induktive Bauteil 1. Am Ausgang des Tiefpasses 6 ist ein Ausleseelement 7 angeordnet, das von der Ansteuerschaltung 3 synchron zum Schaltelement 4 angesteuert wird. Hierdurch wird am Schaltungsausgang A nur dann eine Ausgangsspannung als Maß für die mittlere Stromstärke durch das induk­ tive Bauteil 1 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt, wenn der Kondensator C1 des Tiefpasses 6 mit Bezugspotential (Masse) verbunden ist und die Spannung U_C am Kondensator C1 daher auf einfache Weise ausgelesen werden kann. Diese Span­ nung U_C als Maß für die mittlere Stromstärke bzw. für den mittleren Stromfluß durch das induktive Bauteil 1 kann durch eine am Schaltungsausgang A angeschlossene Auswerteeinheit verarbeitet werden.

Durch geeignete Dimensionierung des parallel zum Meßwiderstand 2 angeordneten Tiefpasses 6 (insbesondere durch Vorgabe der Zeitkonstante des Tiefpasses 6), d. h. durch Dimensionierung des Widerstands R1 und des Kondensators C1 unter Be­ rücksichtigung der von der Ansteuerschaltung 3 vorgegebenen Ansteuerfrequenz für die Pulsweitenmodulation PWM, wird eine geeignete Mittelwertbildung vorgenom­ men, d. h. der Spannungsabfall am Meßwiderstand 2 wird gemittelt und in einen leicht verarbeitbaren Meßbereich transformiert. Bsp. beträgt der Widerstandswert des Widerstands R1 22 kΩ, der Kapazitätswert des Kondensators C1 1µF, so daß sich bei einer Ansteuerfrequenz für die Pulsweitenmodulation PWM von 140 kHz eine Dämpfung der Wechselspannung am Meßwiderstand 2 um ca. 26 dB ergibt; bei einem Widerstandswert des Meßwiderstands 2 von bsp. 0.1 Ω ergibt sich eine Än­ derungsrate der am Kondensator C1 anliegenden Kondensatorspannung U_C von 0.1 V/A.

Gemäß der Fig. 2 ist zur Verstärkung der am Kondensator C1 anliegenden gemit­ telten Spannung U_C dem Tiefpaß 6 ein Verstärker 9 nachgeschaltet; der Verstärker 9 ist als nicht-invertierender Operationsverstärker ausgebildet, dessen nicht- invertierender Eingang (+) mit dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 ver­ bunden ist, und an dessen invertierenden Eingang (-) das Rückkoppelnetzwerk mit den Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Der Widerstand R2 des Rückkop­ pelnetzwerks ist mit dem Bezugspunkt K verbunden, an dem das Schaltelement 4 und ein Anschluß des Meßwiderstands 2 angeschlossen sind; hiermit wird sicherge­ stellt, daß nur die am Kondensator C1 anliegende Spannung U_C durch den Operati­ onsverstärker 9 verstärkt wird und daß sich die Ausgangsspannung des Operations­ verstärkers 9 auf das Potential dieses Bezugspunkts K und nicht auf das Bezugspo­ tential (Masse) der Schaltungsanordnung bezieht.

Das von der Ansteuerschaltung 3 mittels Pulsweitenmodulation PWM angesteuerte Schaltelement 4 ist bsp. als bipolarer Schalttransistor ausgebildet; während einer Ansteuerphase der Pulsweitenmodulation PWM ist der Schalttransistor 4 leitend, der Bezugspunkt K liegt daher auf Bezugspotential, so daß die am Operationsverstärker 9 anliegenden Spannungen in dessen Aussteuerbereich liegen. Die Ausgangsspan­ nung am Operationsverstärker 9 entspricht der Summe aus der verstärkten Span­ nung U_C am Kondensator C1 und der Kollektor-Emitter-Spannung des bipolaren Schalttransistors 4, wobei die Verstärkung des Operationsverstärkers 9 so gewählt wird, daß die Ausgangsspannung groß gegenüber der Kollektor-Emitter-Spannung des durchgeschalteten Schalttransistors 4 ist. Am Ausgang des Operationsverstär­ kers 9 ist eine als Microcontroller ausgebildete Auswerteeinheit 8 vorgesehen, de­ ren Eingangsstufe aus einem das Ausleseelement 7 realisierenden A/D-Wandler besteht. Der am Eingang des Microcontrollers anstehende Spannungsmeßwert wird synchron zu einer Ansteuerphase der Pulsweitenmodulation PWM in den A/D- Wandler 7 übernommen und vom Microcontroller 8 digital weiterverarbeitet.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil (1), wobei ein Anschluß des induktiven Bauteils (1) mit der Versorgungsspan­ nung (U_B) und der andere Anschluß des induktiven Bauteils (1) mit einem Meß­ widerstand (2) verbunden ist, und wobei der Stromfluß durch das induktive Bau­ teil mittels einer von einer Ansteuerschaltung (3) generierten Pulsweitenmodula­ tion (PWM) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßwiderstand (2) ein Tiefpaß (6) parallel geschaltet ist, und daß ein dem Tiefpaß nachgeschaltetes, von der Ansteuerschaltung (3) syn­ chron zur Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuertes Ausleseelement (7) vorge­ sehen ist, an dem eine gemittelte Spannung als Maß für die mittlere Stromstärke durch das induktives Bauteil (1) anliegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit­ konstante des Tiefpasses (6) in Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz der Pulsweitenmodulation (PWM) gewählt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tiefpaß (6) und dem Ausleseelement (7) ein Verstärker (9) ange­ ordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stärker (9) als nicht-invertierender Operationsverstärker ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ausleseelement (7) als A/D-Wandler ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D- Wandler (7) die Eingangsstufe eines Mikrocontrollers (8) bildet.