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Die
vorliegende Erfindung betrifft die schnelle Steuerung von Strom
in induktiven elektrischen Lasten wie Solenoiden, insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
in elektronischen Kfz-Steuersystemen.
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Induktive
Lasten wie Solenoidspulen werden gewöhnlich mit Hilfe eines Schalters,
z.B. eines Schalttransistors, gesteuert, der in Reihe mit der Last über eine
Spannungsversorgung geschaltet ist. In Kfz-Anwendungen ist eine
Seite der Last („tiefe
Seite" genannt)
gewöhnlich
mit Masse verbunden und die andere Seite („hohe Seite" genannt) ist mit
der nicht geerdeten Seite der Spannungsversorgung gekoppelt. Zwecks Überwachung/Messung
des Stroms durch die Last wird ein Fühlerelement wie z.B. ein Widerstand
in Reihe mit der Last geschaltet und der Spannungsabfall über diesen
Widerstand wird gemessen.
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Herkömmliche
Technik arbeitete häufig
mit Stromerfassung in der Nähe
des Lastansteuerungstransistors, so dass Stromüberwachung nur bei eingeschaltetem
Antrieb möglich
war. Wenn über
die Stärke
des überwachten
Stroms der Schalttransistor gesteuert werden sollte, dann war die
Steuerung bei dieser Anordnung daher schlecht.
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Einige
bekannte Anordnungen arbeiteten mit hochseitiger Steuerung der Last
mit Hilfe von P-Kanal-MOSFET-Bauelementen, aber diese sind relativ kostspielig.
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Wie
hinlänglich
bekannt ist, klingt der Strom in einer induktiven Last mit der Zeit
ab, wenn die Speisespannung weggenommen wird, und es muss ein spezieller
Schaltkomplex vorgesehen werden, um diesen Strom abzuleiten. Die
herkömmliche
Praxis besteht darin, dies dadurch zu erzielen, dass eine Rückführdiode
bereitgestellt wird, die parallel zur Last geschaltet ist und automatisch
einschaltet, um einen Stromweg zurück zur Versorgung zu erzeugen. Die
Geschwindigkeit, mit der eine über
die Last geschaltete Diode auf diese Weise den umlaufenden Strom
ableiten kann, ist jedoch relativ niedrig und der Strom in der Last
fällt daher
nur langsam ab (siehe Kurve X in 3 der Begleitzeichnungen).
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Bekannte
Mittel zum Erzielen einer schnelleren Steuerung der Stromabschaltung
in induktiven Lasten verwenden typischerweise zwei MOSFET-Bauelemente
pro Kanal, was mit entsprechenden Kosten verbunden ist.
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Aus
der EP-A-1045 501 ist eine Pilotschaltung für eine induktive Last, insbesondere
einen Gleichstrommotor bekannt, der einen MOSFET-Schalttransistor
in Reihe mit einem Gleichstrommotor über eine Gleichstromversorgung
aufweist. Der Transistor hat eine (interne) Eigendiode, die über seine
Drain/Source-Anschlüsse geschaltet
ist. Parallel zum Motor ist ein öffnungsfähiger Schutzweg
geschaltet, der eine Diode und einen einzelnen weiteren MOSFET-Transistor
enthält.
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Aus
der JP-A-11 308 780 ist eine elektrische Lastansteuerungsschaltung
für ein
Fahrzeug bekannt, die eine Spule enthält, die zwischen einer Stromversorgung
und Masse geschaltet ist. Ein Feldeffekttransistor ist zwischen
der Spule und Masse geschaltet und parallel mit einer parasitären Diode
vorgesehen, die den Fluss von Strom nur in einer Richtung von Masse
zu Stromversorgung zulässt.
Ein Mikroprozessor steuert den Feldeffekttransistor per PWM-Steuerung
an. Eine Schwungraddiode ist zwischen einem Punkt zwischen der stromabwärtigen Seite
der Spule und dem Feldtransistor und der stromaufwärtigen Seite
der Spule geschaltet und lässt
den Stromfluss nur in einer Richtung von der stromabwärtigen Seite
zur stromaufwärtigen
Seite der Spule zu. Ein eine Umkehrverbindung verhindernder Transistor
ist zwischen der Schwungraddiode und der Stromversorgung geschaltet
und wird durch die Spannungsdifferenz zwischen Masse und der Schwungraddiode
betätigt.
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Aus
der US-A-5 012 381 ist eine Lastansteuerungsschaltung mit Umkehrbatterieschutz
bekannt, die einen FET-Schalttransistor in Reihe mit einem Motor über eine
Gleichstromversorgung aufweist. Der Schalttransistor beinhaltet
eine (interne) Eigendiode über
seine Drain/Source-Anschlüsse.
Ein aktivierbarer Pfad ist über
den Motor geschaltet, der einen zweiten einzelnen FET-Schalttransistor
in Reihe mit einer Diode aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine schnelle Ableitung der gespeicherten magnetischen Energie
in einer von einem ersten Schalter gesteuerten induktiven Last durch
die Bereitstellung eines Hochspannungsabfallenergie-Ableitungspfades über den
genannten ersten Schalter und einen zweiten Schalter bereitgestellt,
mit dem selektiv ein Konstantspannungsdiodenabfallpfad über die
Last geöffnet werden
kann, wobei der genannte zweite Schalter das Öffnen einer Mehrzahl der genannten
Konstantspannungsdiodenabfallpfade über eine Mehrzahl von jeweiligen
induktiven Lasten gemeinsam steuert, wobei jeder dieser Pfade von
einem jeweiligen ersten Schalter geschaltet werden kann, über den
ein jeweiliger Hochspannungsabfallenergie-Ableitungspfad angeordnet
ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst jeder genannte erste Schalter
einen Schalttransistor und der genannte Hochspannungsabfallenergie-Ableitungspfad
eine spannungsregulierende Diode, wie z.B. eine Zener-Diode, parallel
zum Schaltpfad des genannten Schalttransistors.
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Vorteilhafterweise
ist jeder genannte Schalttransistor ein Feldeffekttransistor wie
z.B. ein MOSFET, und die spannungsregulierende Diode ist zwischen
seinem Source- und
seinem Drain-Anschluss geschaltet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist jeder genannte Schalttransistor
ein Feldeffekttransistor wie z.B. ein MOSFET und die spannungsregulierende
Diode ist in Reihe mit einer ersten Diode zwischen seinem Drain-
und seinem Gate-Anschluss geschaltet.
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Der
zweite Schalter kann beispielsweise einen MOSFET in Reihe mit einer
Mehrzahl von zweiten Dioden über
die Serienkombinationen der Mehrzahl von induktiven Lasten und assoziierten
Stromfühlerelementen
umfassen.
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Durch
Verwenden einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann eine Reihe weiterer vorteilhafter Merkmale erhalten werden:
- (a) Phasengerastete Stromsteuerung: Ein geringer
Betrag an Welligkeit ist am eingehenden Bedarfssignal zulässig und
bewirkt, dass die Steuerschleife ihre Steueroszillation auf die
eines eingehenden PWM-Signals synchronisiert. So können die
externen Stromsteuerschleifen softwaregesteuerte Phasenbeziehungen
zwischen Kanälen haben.
- (b) Frequenzgerastete Stromsteuerung: Ein geringer Betrag an
Welligkeit ist am eingehenden Bedarfssignal zulässig und bewirkt, dass die Steuerschleife
ihre Steueroszillation auf die eines eingehenden PWM-Signals synchronisiert;
so kann die externe Stromsteuerschleife eine softwaregeregelte Oszillationsfrequenz
haben.
- (c) Phasenversetzte Steuerung: Die Phase individueller Stromsteuerkanäle wird
mit Software gesteuert. Per Software-Steuerung können die Steuerkanäle phasenversetzt
werden. Dies hat zur Folge, dass der Erregungsteil der Steuerzyklen zeitlich
gleichmäßig verteilt
wird. Dadurch ist der Gesamtstrombedarf der Schaltung gleichmäßiger verteilt.
Der Hochfrequenzstrombedarf der Schaltung wird reduziert und die
Frequenz wird erhöht. Die
Reduzierung von Peaks sowie die höhere Gesamtfrequenz ermöglicht eine
leichtere Filterung und geringere elektromagnetische Emissionen ohne
zusätzliche
Hardware-Kosten.
- (d) Streuspektrumsteuerung: Die Frequenz der Stromsteuerkanäle wird
mit Software geregelt. Durch Software-Steuerung können die
Steuerkanalfrequenzen dynamisch im Laufe der Zeit geändert werden.
Elektromagnetische Emissionen von der Stromsteuerschaltung setzen
sich hauptsächlich
aus Oberwellen der Steuerfrequenz zusammen. Durch dynamisches Ändern der
Steuerfrequenz werden alle resultierenden Emissionen über eine
größere Bandbreite
moduliert. Dies reduziert die Spitzenenergie der Emissionen über eine
bestimmte Messbandbreite ohne zusätzliche Hardware-Kosten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf
die Begleitzeichnungen näher
beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein
grundsätzliches
Schaltschema einer bekannten Schaltanordnung zum Steuern und Überwachen
des Stroms durch eine induktive Last;
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2 ein
grundsätzliches
Schaltschema einer Ausgestaltung einer Anordnung zum Steuern und Überwachen
des Stroms durch eine induktive Last;
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3 typische
Ansprechkurven, die die Ableitung des umlaufenden Stroms in einem
bekannten System und in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung
illustrieren;
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4 ein
Schaltschema einer möglichen Modifikation
der Schaltung von 2;
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5 ein
grundsätzliches
Schaltschema einer Mehrsolenoid-Schaltanordnung, die die vorliegende
Erfindung beinhaltet; und
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6 ein
elektrohydraulisches Bremssystem (EHB), auf das die vorliegende
Erfindung angewendet werden kann.
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Zunächst mit
Bezug auf 1, diese zeigt die Grundschaltung
einer typischen bekannten Anordnung zum Steuern/Überwachen des Stroms IL durch eine induktive Last L1,
wie z.B. die Spule eines solenoidbetätigten Ventils. Der Strom durch
die Spule L1 wird von einem durch einen
Controller C1 gemäß einem Bedarfssignal D angesteuerten
MOSFET T1 ein- und ausgeschaltet. Der Strom
IL wird durch Erfassen des Spannungsabfalls über einen
Widerstand R1 überwacht, der in Reihe mit
der Spule L1 geschaltet ist, unter Verwendung
eines Differentialverstärkers
A1, zum Bilden einer analogen Steuerschleife zurückgekoppelt
zum Controller C1. Eine Rückführdiode
D1 ist parallel zum Serienanschluss des
Widerstands R1 und der Last L1 geschaltet.
Beim Gebrauch dieser Schaltungsanordnung führt, wenn der MOSFET T1 abgeschaltet ist, die gespeicherte Energie
in der Spule zu einem Stromfluss, der beim Spannungsabfall über die
Rückführdiode
D1 abgeleitet wird. Wie oben erwähnt, ist
die Ableitungsrate dieses Stroms durch die Diode D1 jedoch
relativ gering und folgt typischerweise einem Pfad wie dem, der
durch Kurve X in 3 definiert wird.
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Es
wird nunmehr auf 2 Bezug genommen, die eine Ausgestaltung
einer Schaltungsanordnung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
wobei Komponenten mit derselben Funktion dieselben Bezugsziffern
erhielten wie in 1.
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In
diesem Fall ist ein MOSFET-Schalttransistor T2 in
Reihe mit der Rückführdiode
D1 geschaltet, so dass die Leitung des Umlaufpfades
durch D1 durch die ECU über einen Anpassverstärker A2 gesteuert werden kann. Wenn also der Schalter
T2 geschlossen ist, dann erzeugt die Diode
D1 auf normale Weise einen Konstantspannungsabfall-Ableitungspfad.
Ist der Schalter T2 jedoch offen, dann wird
der normale Ableitungspfad unterbrochen. Es kann bewirkt werden,
dass dies beispielsweise dann stattfindet, wenn über R1 erfasst
wird, dass der Strom IL auf der Last L1 zu hoch ist (über einem vorbestimmten Schwellenwert).
In diesem Fall werden die umlaufenden Ströme, die die Last L1 enterregen, über einen Hochspannungsabfallenergie-Ableiter
wie z.B. eine Zener-Diode D2 über den
MOSFET T1 zu Masse abgeleitet. So kann die
gespeicherte magnetische Energie in der induktiven Last L1 von der Last weitaus schneller als bei
Verwendung der Konstantspannungsabfalldiode D1 abgeleitet
werden, und eine Kurve wie die bei Y in 3 gezeigte
kann erhalten werden.
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4 zeigt
eine alternative Anordnung zur Zener-Diode D2 von 2,
wobei die Serienkombination einer Zener-Diode D3 und
der Diode D4 über die Drain-Gate-Anschlüsse des
MOSFET T1 geschaltet ist. Eine ähnliche
Kennkurve Y kann mit dieser Anordnung erhalten werden.
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Somit
stellt die vorliegende Schaltung ein Mittel bereit, mit dem im Falle
von hohen induzierten Strömen
in der geschalteten Last die Konstantspannungsabfalldiode D1 durch Öffnen
des Schalters T2 durch die Hochspannungsabfall-Zener-Anordnung D2 ersetzt werden kann.
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Ein
besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass derselbe einzelne
Umlaufschalter T2 für eine Mehrzahl von Solenoidtreibern
gleichzeitig verwendet werden kann, z.B. wie in 5 gezeigt
ist. 5 zeigt eine zweite Last L1', die mit einem zweiten MOSFET
T1' geschaltet
werden kann, dessen Strom von einem Stromsensor R1' überwacht wird und von einer
analogen Steuerschleife mit seinem eigenen Controller C1' gekoppelt ist, der
einen Eingangsbedarf von der gemeinsamen ECU empfängt. Man
wird feststellen, dass beide Rückführdioden
D1 und D1' in dieser Schaltung
mit der Spannungsversorgung Ub über denselben
einzelnen MOSFET-Schalter T2 gekoppelt sind.
So kann die vorteilhafte Anordnung von 2 auf wirtschaftliche Weise
zu existierenden Lasttreibern mit einem Treiber T1 pro
Kanal plus nur einem gespeicherten Schalter T2 hinzugefügt werden.
Dies ist deshalb möglich,
weil es vom Standpunkt von Kanälen
aus gesehen, die derzeit keinen schnellen Stromabfall benötigen, unerheblich
ist, ob der Ableitungspfad über
T2 vorübergehend
verloren geht, z.B. mit einer 1 ms pulsierten Öffnung von T2, um
ein schnelles Stromabklingen über
D2 für
einen Kanal zu ermöglichen,
der dies benötigt.
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6 zeigt
ein typisches elektrohydraulisches (EHB) Bremssystem, auf das die
vorliegende Erfindung anwendbar ist. Im elektrohydraulischen Bremssystem
von 6 werden Bremsbedarfssignale elektronisch mit
einem Wegsensor 10 als Reaktion auf Betätigungen eines Fußpedals 12 erzeugt, wobei
die Signale in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 14 zum
Steuern der Betätigung
von Bremsaktuatoren 16a, 16b jeweils an den Vorder- und
Hinterrädern
eines Fahrzeugs über
Ventilpaare 18a, 18b und 18c, 18d verarbeitet
werden. Die letzteren Ventile werden im Gegensatz zur Bereitstellung einer
Proportionalsteuerung von Betätigungsfluid
zu den Bremsaktuatoren 16 von einem unter Druck stehenden
Fluidzuführungsakkumulator 20 betätigt, von einem
Reservoir 22 mit Hilfe einer motorgetriebenen Pumpe 24 über ein
solenoidgesteuertes Akkumulatorventil 26 gehalten. Für den Einsatz
z.B. in Notsituationen, wenn die elektronische Steuerung der Bremsaktuatoren
aus irgendeinem Grund nicht funktioniert, hat das System einen Hauptzylinder 28,
der mechanisch mit dem Fußpedal 12 gekoppelt
ist und mit dem Fluid direkt zu den Vorderbremsaktuatoren 16a in
einem „Durchdrück"-Zustand geleitet
werden kann. Im Durchdrückzustand
wird eine Fluidverbindung zwischen den Vorderbremsaktuatoren 16a und dem
Zylinder 28 mit digital arbeitenden, solenoidbetätigten Ventilen 30a, 30b hergestellt.
Das System beinhaltet ferner digital funktionierende Ventile 32, 34,
die jeweils die beiden Ventilpaare 18a, 18b und die
beiden Ventilpaare 18c, 18d verbinden.
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Das
System der vorliegenden Erfindung zum Ermöglichen einer schnellen Umschaltung
kann auf beliebige der Solenoide in der Anordnung von 6 angewendet
werden. Vorteilhafterweise kann, wo Gruppen von Solenoiden von einer
einzelnen ECU gesteuert werden, wie dies bei den Solenoidventilen 18a-18d; 26, 32, 34 und 30a, 30b in 6 (oder
Untergruppen davon) der Fall ist, die Anordnung von 5 dort
vorteilhaft sein, wo eine einzelne geschaltete Rückführdiode T2 allen
Solenoiden in der Gruppe oder Untergruppe gemeinsam ist.