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Dokumentenidentifikation DE102005048792A1 03.05.2007
Titel Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Schumacher, Hartmut, 71691 Freiberg, DE;
Kottke, Thomas, 71139 Ehningen, DE;
Wirth, Jens, 74232 Abstatt, DE
DE-Anmeldedatum 12.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048792
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051012, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Induktivität aufweist, die im Fall der Ansteuerung durch die Vorrichtung bestromt wird, weiterhin eine Testschaltung, die zur Überwachung der Induktivität mit dieser Induktivität verbunden wird. Die Testschaltung bildet mit der Induktivität einen Schwingkreis. Darüber hinaus ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die ein Frequenzverhalten des Schwingkreises aufnimmt und in Abhängigkeit von dem Frequenzverhalten bestimmt, ob die Induktivität bei der Bestromung die Ansteuerung der Aktuatorik ermöglicht. Die Auswerteschaltung nimmt dabei aber lediglich höchstens die erste Schwingung des Schwingkreises zur Aufnahme des Frequenzverhaltens auf. Dies liegt an der starken Dämpfung der Induktivität durch deren parasitäre Widerstände.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus Mike Schönmehl: Die crashaktive Kopfstütze, ATZ 5/2005, Jahrgang 107, Seiten 390–397 ist es bereits bekannt, dass eine crashaktive Kopfstütze mittels einer elektromagnetischen Aktuatorik und dabei insbesondere einer Spule, also eine Induktivität im Crashfall angesteuert wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass nunmehr eine Testschaltung vorgeschlagen wird, die mit der Induktivität, also der elektromagnetischen Aktuatorik einen Schwingkreis bildet, sodass mit einer Auswerteschaltung ein Frequenzverhalten des Schwingkreises aufnehmbar ist. Aus dem Frequenzverhalten kann auf die Induktivität geschlossen werden. Dies ist möglich, da der Kondensator bezüglich seiner Kapazität bekannt ist. Über die Thompsonsche Schwingungsformel ist dann über die Frequenz die Induktivität bestimmbar. Vorteilhafter Weise wird durch die Auswerteschaltung nur die erste Schwingung ausgewertet, um der Problematik der stark gedämpften Schwingung entgegen zu wirken. Die Spule hat hohe parasitäre Verluste bei der Schwingkreiseigenfrequenz. Folglich wird höchstens nur die erste Schwingung durch die Auswerteschaltung ausgewertet. Dies ermöglicht dann eine möglichst genaue Bestimmung der Induktivität.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik möglich.

Vorzugsweise wird nur die erste Halbschwingung durch die Auswerteschaltung zur Bestimmung der Induktivität herangezogen. Dies ermöglicht auch bei einer hohen Dämpfung immer noch die Verwendung des Schwingkreises als Messschaltung.

Besonders vorteilhaft ist, dass ein Timerbaustein, der üblicherweise im Kontroller eines Steuergeräts zur Ansteuerung der elektromagnetischen Aktuatorik vorgesehen ist, vorhanden ist. Dieser Timerbaustein zählt die Zeitdauer, in der die erste Schwingung oder Halbschwingung aufgenommen wird. Insbesondere zählt der Timerbaustein die Impulse eines Oszillators, bis das Ende der Schwingung oder Halbschwingung erkannt wird. Diese Zeitdauer wird vorbestimmt anhand von Toleranzen, die für die verwendeten Bauelemente zu erwarten sind. Daraus können die Grenzwerte für die Frequenzen und damit für die Periodendauern bestimmt werden. Das ist also die Zeit, die maximal gewartet wird, bis die Periode oder Halbperiode gezählt wird.

Vorteilhafter Weise wird in Abhängigkeit von der Schwingung des Schwingkreises ein Rechtecksignal erzeugt und anhand des Rechtecksignals dann das Frequenzverhalten des Schwingkreises bestimmt. Damit wird eine Digitalisierung erreicht und die Abtastrate kann somit stark gesenkt werden. Auch der Auswertepegel ist vorteilhafter Weise höher und eine Auswertung muss nicht mehr durch einen Analog-Digital-Wandler erfolgen, sondern kann durch eine einfache Zeitmessung erfolgen, also mit dem Timer. Dies führt zu einer Kostenersparnis bei der Software und bei der Hardware.

Zur Erzeugung eines Rechtecksignals kann vorteilhafter Weise ein Komparator verwendet werden, der die erste Schwingung mit einem Spannungswert vergleicht und in Abhängigkeit mit diesem Vergleich das Rechtecksignal erzeugt. Dabei kann beispielsweise ein Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts zur Erzeugung einer ersten Rechteckschwingung verwendet werden und das nochmalige Unterschreiten zur Erzeugung einer zweiten Rechteckschwingung. Damit ist dann die Periode messbar, die dabei durch den Timer gemessen wird. Da der Komparator die Schwingung mit einem vorgegebenen Spannungswert vergleicht und dieser Spannungswert kann insbesondere durch eine Spannungsquelle erzeugt werden, die auch einen Temperaturgang haben kann. Dies ist vorteilhafterweise möglich, da die Spannungsquelle sowohl für den Vergleich alsu auch für die Festlegung des Nulldurchgangs verwendet wird. Die Schwingung wird nämlich mit einem Offset versehen. Bei einem Weglaufen der Spannung läuft sowohl die Referenz also auch der Messwert gleichartig weg. Vorteilhafterweise ist der Offset als Referenzspannung gleich dem Spannungswert, der zum Vergleich herangezogen wird. Der Offset ist notwendig, da wegen dem Low-Side-Schalter es verhindert werden muss, dass die Energie aus dem Schwingkreis verloren geht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

2 ein erstes Spannungszeitdiagramm und

3 ein zweites Spannungszeitdiagramm.

Beschreibung

Zunehmend werden crashaktive Kopfstützen und Fußgängerschutzsysteme in Fahrzeugen implementiert. Die Auslösung dieser Schutzsysteme erfolgt üblicherweise elektromagnetisch, also mittels der Bestromung einer Induktivität. Die permanente Überwachung dieser Induktivität ist für die Funktion der Personenschutzsysteme essentiell. Durch die Auswertung der Induktivität mittels eines Schwingkreises ist eine sehr präzise Messung möglich. Erfindungsgemäß wird dabei jedoch nur höchstens die erste Schwingung oder vorzugsweise die erste Halbschwingung gemessen, da eine so starke Dämpfung vorliegt, dass weitere Schwingungen zu klein bezüglich ihrer Amplitude sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Schwingung mit einem vorgegebenen Spannungswert verglichen, um in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Rechtecksignal zu erzeugen, das einfacher zu verarbeiten ist. Aus diesem Rechtecksignal wird dann die Frequenz des Schwingkreises bestimmt, um daraus letztlich die Induktivität zu berechnen. Die berechnete Induktivität wird dann mit vorgegebenen Toleranzbereichen verglichen, um festzustellen, ob sich die Induktivität noch innerhalb dieser Toleranzbereiche befindet.

1 zeigt in einem Schaltbild eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Am Anschluss 100 werden Steuersignale, die beispielsweise vom Mikrokontroller des Steuergeräts erzeugt werden, auf das Gate des Transistors T1 gegeben. Transistor T1 ist ein P-Kanalfeldeffekttransistor. Am Anschluss 101 werden Steuersignale ebenfalls vom Mikrokontroller an das Gate des Transistors T2 gegeben. Transistor T2 ist ein N-Kanal-MOSFET. Dies hat den Vorteil, dass unerwünschte Nebeneffekte durch die permanente Ansteuerung eines Transistors T1 oder T2 im Zündfall zu vermeiden. Da die Transistoren T1 und T2 unterschiedliche Polaritäten aufweisen, bedeutet dies, dass die Transistoren T1 und T2 nur wechselweise durchgeschaltet werden können. An der Source von T1 ist eine Spannung V angeschlossen, die beispielsweise 1,93 Volt beträgt. Diese Spannung wird von einem Spannungsversorgungsbaustein innerhalb des Steuergeräts bereitgestellt. Die Drain des Transistor T1 ist mit der Drain von T2, einer Seite des Schalters HS und einer Seite der Induktivität L verbunden. Der Schalter HS, also die High Side, ist auf der anderen Seite mit der Spannung der Energiereserve VER verbunden. Die Source des Transistors T2 ist mit einem positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP und dem positiven Pol der Spannungsquelle UV verbunden. Die Spannung der Spannungsquelle UV beträgt hier 1,93 Volt. Die Induktivität L ist auf der anderen Seite im negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OP verbunden und mit der ersten Seite des Kondensators C und einer Seite des Leistungsschalters LS. Der negative Pol der Spannungsquelle UV, die andere Seite des Kondensators C und des Low Side-Schalters LS sind alle mit Masse verbunden. Der Kondensator C wird vorliegend nicht zusätzlich in das Steuergerät eingebracht, sondern es wird der Kondensator C erfindungsgemäß verwendet, der auch dazu verwendet wird, Transienten in das Steuergerät abzublocken.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist mit einem Widerstand R verbunden und einem Ausgang 101. Der Widerstand R ist auf der anderen Seite mit der Spannung V verbunden, entsprechend der Open-Kollektor-Anordnung des Operationsverstärkers OP, der vorliegend als Komparator verwendet wird.

Im gezeigten Zustand, also mit den geöffneten Leistungsschaltern HS und LS wird ein Schwingkreis mit L und C gebildet. Durch die Spannunqsquelle UV wird die entstehende Schwingung um 1,93 Volt angehoben. Die Transistoren T1 und T2 werden über den Eingänge 100 und 101 wechselweise angesteuert. D.h. zunächst wird der Transistor T1 angeschaltet, dann aus und gleichzeitig der Transistor T2 an. Die Schwingung tritt dann ein, wenn der Transsitor T1 aus, der Schwingkreis aufgeladen und T2 an ist. Damit wird die Spannung V zum Schwingkreis hinzu geschaltet. Und zwar dann, wenn der Transistor T1 durchgeschaltet wird. Der Operationsverstärker OP vergleicht die Schwingung, die im Schwingkreis entsteht mit dem Potential UV und wenn dieses unterschritten wird, wird am Ausgang des Operationsverstärkers OP ein entsprechendes Signal erzeugt und kann dann am Punkt 101 als Spannungsmesssignal Umess abgegriffen werden. Damit ist dann eine Analyse der Schaltung möglich.

2 verdeutlicht in einem Spannungszeitdiagramm den Verlauf einer typischen Schwingung in der vorliegenden Konfiguration am Knotenpunkt von L und C. Zu erkennen ist zwar ein periodisches Verhalten aber auch die starke Dämpfung, die letztlich zu einem Verschwinden der Schwingung führt. Dies ist dargestellt durch die Kurve 200.

3 erläutert dagegen das Verhalten der Auswerteschaltung, wenn sie bei einer solchen Kurve, hier durch 300 gekennzeichnet, mit einer solch starken Dämpfung zu rechnen hat. Hier wird, wenn der Spannungswert UV unterschritten wird, ein Rechtecksignal 301 erzeugt und auch noch einmal ein Rechtecksignal 302, wenn es zu einem erneuten Unterschreiten der Referenzspannung UV gekommen ist. Der Abstand zwischen den beiden steigenden Flanken der Rechtecksignale 301 und 302 ergibt die Periodendauer und der Kehrwert der Periodendauer die Frequenz. Daraus kann dann über die Thompsonsche Schwingungsformel auf die Induktivität bei bekannter Kapazität geschlossen werden.

Wird der Transistor T1 über den Anschluss 100 angesteuert, dient dies zur Energieversorgung der Spule und der Kapazität. Wird der Transistor 101 angesteuert, dann wird die Spule auf das Referenzpotenzial zur Anregung der Schwingung geschaltet. Die Eingänge des Operationsverstärkers können vertauscht werden, so dass dann das Ausgangssignal des Operationsverstärkers invertiert ist. In Abhängigkeit von der Lage des Ruhepegels des Knotenpunkts von L und C läßt sich durch die geeignete Wahl die Stromaufnahme des Steuergeräts minimieren, denn dann wird eine Verlustleistung über R im Nicht-Testfall vermieden.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektromagnetischen Aktuatorik mit

– einer Induktivität (L), die im Fall der Ansteuerung durch die Vorrichtung bestromt wird

– einer Testschaltung, die zur Überwachung der Induktivität (L) mit dieser Induktivität (L) verbunden wird, wobei die Testschaltung mit der Induktivität (L) einen Schwingkreis bildet

– einer Auswerteschaltung, die ein Frequenzverhalten des Schwingkreises aufnimmt und in Abhängigkeit von dem Frequenzverhalten bestimmt, ob die Indiktivität (L) bei der Bestromung die Ansteuerung der Aktuatorik ermöglicht, wobei die Auswerteschaltung derart konfiguriert ist, dass die Auswerteschaltung lediglich höchstens eine erste Schwingung des Schwingkreises zur Aufnahme des Frequenzverhaltens aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung derart konfiguriert ist, dass die Auswerteschaltung nur die erste Halbschwingung auswertet. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen Timerbaustein aufweist, der eine vorbestimmte Zeitdauer zählt, in der die höchstens erste Schwingung aufgenommen wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung in Abhängigkeit von der höchstens ersten Schwingung ein Rechtecksignal erzeugt und anhand des Rechtecksignals das Frequenzverhalten bestimmt. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Erzeugung des Rechtecksignals einen Komparator aufweist, der die höchstens erste Schwingung mit einem vorgegebenen Spannungswert vergleicht und in Abhängigkeit von diesem Vergleich das Rechtecksignal erzeugt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung für den Vergleich den Spannungswert derart bemisst, dass der Spannungswert gleich einer Referenzspannung ist, um die die Schwingung angehoben ist.






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