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Dokumentenidentifikation DE102006035564A1 31.05.2007
Titel Verfahren und pulsweitenmodulierte Stromregelschaltung zur Ansteuerung von induktiven Lasten in Kraftfahrzeugen
Anmelder Continental Teves AG & Co. OHG, 60488 Frankfurt, DE
Erfinder Schmitz, Axel, Dr., 65795 Hattersheim, DE;
Michel, Frank, 61191 Rosbach, DE;
Fey, Wolfgang, 65527 Niedernhausen, DE;
Heinz, Micha, 64293 Darmstadt, DE;
Joeckel, Wolfgang, 63179 Obertshausen, DE;
Oehler, Peter, Dr., 60314 Frankfurt, DE
DE-Anmeldedatum 27.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006035564
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20060727, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02M 3/10(2006.01)A, L, I, 20060727, B, H, DE   
Zusammenfassung Verfahren, bei dem eine Strommessung innerhalb einer integrierten PWM-Regelungsschaltung mittels zumindest eines ebenfalls in der Schaltung integrierten A/D-Wandlers durchgeführt wird, wobei die PWM-Regelung zur Ansteuerung von induktiven Lasten vorgesehen ist und diese insbesondere in einer elektronischen Schaltung eines elektronischen Reglers für ein Kraftfahrzeugbremssystem angeordnet ist, bei dem vor dem Ermitteln des Iststroms der PWM-Regelung, welcher mit Hilfe des zumindest einen A/D-Wandlers bestimmt wird, der Strom mittels eines Tiefpasses geglättet wird. Beschrieben ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des obigen Verfahrens und dessen Verwendung in elektronischen Kraftfahrzeugregelsystemen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 9 sowie deren Verwendung.

Elektronische Kraftfahrzeugsteuergeräte, wie Regler für ABS- und/oder ESP-Kraftfahrzeugbremsensteuergeräte umfassen vielfach redundante Mikroprozessorsysteme und zusätzliche Leistungsschaltkreise zur Ansteuerung von Lasten, wie beispielsweise der zur Druckregelung notwendigen elektromagnetischen Ventilspulen. Moderne elektronische Bremsensteuergeräte für Bremsen umfassen hierzu nur noch eine begrenzte Anzahl von hochintegrierten Bauelementen, in denen die meisten diskreten Bauelemente des Reglers in zwei oder sogar lediglich einem integrierten Bausteinen zusammengefasst sind. Eine heute übliche Integrationsstufe umfasst zwei integrierte Schaltkreise, wobei die Mikrorechnersysteme in einem ersten Bauelement und die Leistungsschaltkreise in einem zweiten, gemischten Analog/Digital-Schaltkreis zusammengefasst werden. Im zweiten integrierten Schaltkreis befindet sich außerdem ein Analog/Digital-Wandler, um die analogen Werte für den Mikrocontroller als Digitalwerte zur Verfügung zu stellen.

Aus Kostengründen ist es von Vorteil, einen einzigen A/D-Wandler für mehrere Messungen zu verwenden.

In hochwertigen elektronischen ABS- und ESP-Bremsenregelsystemen werden die Ventilspulen zumindest zum Teil nicht mehr geschaltet, sondern es erfolgt eine analogisierte Ansteuerung mittels einer pulsweitenmodulierten Stromregelung (PWM), welche eine nahezu analoge Ansteuerung der Hydraulikventile zulässt. Hierzu sind mehrkanalige PWM-Treiberstufen vorgesehen, die beispielsweise mittels gegenphasig geschalteter MOS-Transistoren aufgebaut sein können. Um eine kostengünstige und Platz sparende Lösung zu ermöglichen, wird eine solche PWM-Stufe üblicherweise als eine integrierte Schaltung realisiert, zumal für ein komplexes ESP-System neben zahlreicher zusätzlicher Schaltungsteile bis zu acht solcher Stufen vorhanden sein müssen. Ein reiner Analogverstärker zur Ansteuerung einer Ventilspule ist aus Gründen zu hoher Verlustleistung nicht praktikabel.

Die grundsätzliche Vorgehensweise beim Einsatz eines einzigen A/D-Wandlers zur Messung des Iststroms innerhalb einer PWM-Regelung zur Ansteuerung der oben erwähnten Ventilspulen geht aus der WO02/058967 A2 (P 10057) und der WO03/039904 A2 (P 10253) bereits hervor. Gemäß den darin beschriebenen Schaltungsbeispielen wird eine bestimmte Anzahl vom Strommesskanälen entsprechend einer komplexen Prioritätslogik entsprechend einem Zeitscheibenprinzip dem A/D-Wandler zugeordnet, so dass dessen Wandlungskapazität möglichst optimal genutzt werden kann.

Die Anforderungen an die obigen elektronischen Steuergeräte nehmen immer mehr zu, da zusätzliche Funktionen durch das Bremsensteuergerät mit übernommen werden bzw. die Bremssysteme eine verbesserte Regelgüte aufweisen sollen. Einige neuere Regelfunktionen, darunter die Kraftfahrzeuglängsregelung (ACC), welche den Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug konstant hält, fordern über die reine Möglichkeit der Einstellung eines analogen Stromes hinaus eine besonders präzise Stromregelung, da geringste Abweichungen vom gewünschten Stromwert spürbare Unterschiede im eingestellten Bremsdruck bewirken, so dass eine präzise ACC-Regelung mit entsprechendem Komfort nicht mehr möglich ist. Bei einer länger andauernden ACC-Regelung können zudem bereits leichte Unterschiede zwischen eingestelltem Druck in Vorder- und Hinterachse zu einem Ausfall der Bremsfunktion einer Achse führen. Insbesondere sollen relativ kleine Ströme im Bereich von etwa 100 bis 400 mA eine hohe Präzision aufweisen, da diese Ströme zum Einstellen kleiner Druckdifferenzen, wie sie für eine Längsregelung typisch sind, benötigt werden.

Bei PWM-Stufen, die entsprechend den zuvor genannten Patentanmeldungen WO02/058967 A2 (P 10057) und WO03/039904 A2 (P 10253) ausgeführt sind, besteht daher der Bedarf, die Genauigkeit der PWM-Stromregelung noch weiter zu verbessern. Bei einer PWM-Regelung nach dem genannten Stand der Technik wird im üblichen Anwendungsfall der Bremsenregelung allgemein betrachtet eine induktive Last (z.B. Ventilspule) angesteuert. Die induktive Last besitzt eine bestimmte Induktivität L sowie einen ohmschen Widerstand R. Aus der Induktivität L lässt sich eine Zeitkonstante der Last L/R definieren. Abhängig von dieser Zeitkonstanten und der ansteuernden Frequenz der Pulsweitenmodulation entsteht ein typischer Verlauf des Stromes IL durch die induktive Last über der Zeit t, wie in 1 gezeigt. Durch den Einsatz eines A/D-Wandlers, welcher mehrfach zur Strommessung in unterschiedlichen PWM-Kanälen genutzt wird, kann nicht an mehreren Punkten des Stromverlaufs in 1 der Strom bestimmt werden. Die Messung des Stroms erfolgt daher, wie in den oben zitierten Dokumenten beschrieben, zu bestimmten Zeitpunkten (zeitdiskrete Messungen). Der auf diese Weise bestimmte Stromwert weicht je nach Messzeitpunkt beträchtlich vom eigentlich für die PWM-Regelung zu bestimmenden Mittelwert des Stromes ab. Diese Abweichung vom Mittelwert wird im folgenden auch als Formfehler bezeichnet. Wird, wie in 2 dargestellt, der Stromwert beispielsweise regelmäßig in der Mitte der Einschaltphase zum Zeitpunkt tON/2 gemessen, entsteht der in 2 dargestellte Formfehler als Differenz von Mess- zu Mittelwert.

Der Formfehler wird jedoch nicht nur vom Messzeitpunkt der diskreten Strommessung beeinflusst, sondern auch von weiteren Betriebsparametern der PWM-Regelung, wie z.B. der an der Last anliegenden high side-Spannung sowie vom temperaturabhängigen aktuellen ohmschen Widerstand der Last. Insbesondere integrierte Analogschaltungen erreichen nur mit sehr hohem Aufwand eine hohe Absolutgenauigkeit. Zwar ermöglichen beispielsweise an sich bekannte differentielle Schaltungstechniken und an sich bekannte Trimmtechniken eine gewisse Unabhängigkeit gegenüber technologischen Schwankungen und Temperatureffekten, allerdings sind diesen Methoden aufgrund des hohen Aufwands Grenzen gesetzt. Ein Trimmen der Schaltung über die Temperatur würde während der Fertigung einen sehr hohen Zeitaufwand erfordern und ist daher im Hinblick auf eine Fertigung mit hohen Stückzahlen wenig vorteilhaft.

Zur Strommessung wird in den PWM-Stufen gemäß den bereits erwähnten Patentanmeldungen WO02/058967 A2 (P 10057) und WO03/039904 A2 (P 10253) eine Anordnung aus einem Sense-FET in Verbindung mit jeweils zugeordnetem Sense-Verstärker eingesetzt. Der in dieser Anordnung genutzte Sense-FET besitzt typischerweise einen temperaturabhängigen Einschaltwiderstand, welcher zumindest bei Strömen im mA-Bereich in Verbindung mit einem üblicherweise vorhandenen Offsetfehler des Sense-Verstärkers bereits zu einem recht hohen Messfehler führt.

Das in 2 dargestellte Strommessprinzip erfordert einen Mindestwert für die Einschaltdauer des PWM-Signals, damit in jeder Periode ein Stromwert unter allen Randbedingungen erfasst werden kann. Die Folge dieses Mindestwerts ist, dass sich abhängig vom ohmschen Widerstand der Spule, der high side-Spannung an der Induktivität und der eingestellten PWM-Frequenz ein minimaler Strom ergibt, unterhalb dessen keine Regelung mehr möglich ist. Im typischen Anwendungsfall einer ACC-Regelung für Kraftfahrzeuge lassen sich so beispielsweise nur Ströme bis minimal 200 mA einregeln. ACC-optimierte Strom-Bremsdruck-Kennlinien einer Ventilspule erfordern aber zumeist kleinere Ströme bis hinab zu etwa 100 mA.

Die Auflösung eines PWM-Stromreglers bestimmt, mit welchen Genauigkeitsstufen Ströme eingestellt werden können. Diese hängt im wesentlichen vom maximal einzustellenden Strom sowie von der Auflösung des zur Messung des Stromistwerts vorgesehenen A/D-Wandlers ab.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur PWM-Stromregelung anzugeben, mit dem eine genauere und sicherere Stromeinstellung vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Strommessung innerhalb einer integrierten PWM-Regelungsschaltung mittels zumindest einem A/D-Wandler durchgeführt, welcher insbesondere ebenfalls in der Schaltung integriert ist. Dabei wandelt der A/D-Wandler einen elektrischen Wert, welcher zuvor vorzugsweise mit mindestens einem Strommesselement (z.B. Widerstand) bestimmt worden ist. Vor dem Ermitteln des Iststroms der PWM-Regelung, welcher mit Hilfe des zumindest einen A/D-Wandler bestimmt wird, wird der Strom mittels eines Tiefpasses geglättet. Durch Glättung des Stromsignals oder eines einem bestimmten Strom entsprechenden Spannungssignals ist der Zeitpunkt einer A/D-Wandlung weitestgehend unabhängig von der aktuellen Lage innerhalb einer PWM-Periode. Die Glättung des Stromssignals kann entweder im analogen Signalteil oder im digitalen Signalteil des Strommesspfades stattfinden.

Zur Glättung kann bevorzugt ein analoger Tiefpass oder eine Digitalschaltung eingesetzt werden, die wie ein Tiefpass wirkt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Autokalibrierung der integrierten Schaltung durchgeführt, bei der Korrekturwerte für den Strom ermittelt und zur Korrektur des Stroms verwendet werden. Hierdurch kann eine auf Grund der üblicherweise bei elektronischen Bauelementen und insbesondere auch bei integrierten Analogkomponenten begrenzten Absolutgenauigkeit bezüglich des Strommesswertes noch weiter erhöht werden. Gemäß dem Verfahren der Autokalibrierung wird bevorzugt ein kontinuierlicher Abgleich der Schaltung durchgeführt. Dieser Abgleich kann so ausgeführt werden, dass neben Offsetfehlern, welche Langzeitfehler sind, auch Kurzzeiteffekte, wie Temperatur- und Spannungsschwankungen ausgeglichen werden.

Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Autokalibrierungsverfahrens wird die Einstellung des Stroms unter Zuhilfenahme einer digitalen Korrektur der Sollstromanforderung vorgenommen.

Die Korrekturwerte umfassen bevorzugt Offsetwerte und Verstärkungsfaktoren.

Die Erfindung betrifft neben dem Verfahren auch eine Schaltungsanordnung zur Strommessung.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist im Signalpfad zur Messung des Stroms zumindest ein Tiefpass (11) zur Glättung des Stromsignals vorgesehen. Zur Wandlung des Strommesswertes ist zumindest ein A/D-Wandler (19) und zumindest ein Strommesselement (30, 30') vorhanden. Der Tiefpass kann entweder ein durch ein Analogfilter oder ein Digitalfilter realisiert sein, wobei je nach dem um welche Filterart es sich handelt, der Tiefpass im Strommesssignalpfad entweder vor oder nach dem A/D-Wandler angeordnet ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.

Es zeigen

1 den Stromverlauf in einer PWM-geregelten induktiven Last bei einer Regelungsschaltung nach dem Stand der Technik,

2 nur eine PWM-Periode des 1 entsprechenden Stromverlaufs nach dem Stand der Technik,

3 eine schematische Darstellung einer Endstufenschaltung mit Rezirkulationspfad nach dem Stand der Technik,

4 eine Schaltungsanordnung zur Strommessung im Ansteuerpfad und Rezirkulationspfad,

5 ein Diagramm zur Darstellung der Glättung des Stromsignals IL durch Tiefpassfilterung,

6 eine entsprechende Glättung des Stromsignals IL durch Tiefpassfilterung bei zu niedriger Grenzfrequenz des Filters,

7 eine entsprechende Glättung des Stromsignals IL durch Tiefpassfilterung mit dynamischer Anpassung der Grenzfrequenz des Filters,

8 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung mit Auto-Kalibrierungseinrichtung,

9 und 10 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung mit Auto-Kalibrierungseinrichtung und zusätzlicher Bereichsanpassung.

Die in 3 dargestellte schematisierte Darstellung einer Endstufenschaltung mit low side-Ansteuertreiber 1 und Rezirkulationstreiber 2 dient zur Erläuterung der dargestellten Ströme während einer PWM-Ansteuerung der induktiven Last L. Über low side-Treiber 1 wird Last L gegen Masse geschaltet, wodurch der Spulenstrom bei noch nicht erreichtem Maximalstrom exponentiell ansteigt. Im abgeschalteten Zustand der PWM-Ansteuerung ist Treiber 2 leitend, so dass der Abklingstrom der Spule über Rezirkulationspfad 3 fließen kann. Dies führt zu einem exponentiellen Abklingen des Stroms.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auch der Strom des Rezirkulations-Pfades 3 zur Messung des Iststroms der Stromregelung gemessen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei kürzeren Anschaltzeiten der PWM-Ansteuerung eine Strommessung möglich ist.

In der Schaltungsanordnung gemäß 4 wird das Strommesssignal 5, 6 des Rezirkulationstreibers 2 und das Strommesssignal 7, 8 des Ansteuertreibers 1 zu einem gemeinsamen Summensignal 9 zusammengeführt und über einen Tiefpass 11 geleitet. Eine aufwändige Priorisierungslogik für A/D-Wandler 10, welche die Reihenfolge bei der Auswertung mehrerer PWM-Stufen festlegt, kann somit entfallen. Tiefpass 11, 12 ist als Filter erster Ordnung bestehend aus trimmbarem Widerstand 12 und Kondensator 35 ausgeführt, wobei durch die Trimmbarkeit von Widerstand 12 die Zeitkonstante des Tiefpasses verändert werden kann.

Das Messen der Ströme im jeweiligen Leistungspfad 1 bzw. 2 erfolgt auf an sich bekannte Weise mittels Sense-FETs. Sense-FETs stellen ein um mehrere Größenordnungen (z. B. Faktor 100–1000) reduziertes Abbild des Laststroms, der durch die Power-FETs fließt, zur Verfügung. Messstrom 5, 6 bzw. 7, 8 wird über Sense-Verstärker OP2 bzw. OP1 verstärkt. Der in 4 dargestellte FSD-FET 13 dient der schnelleren Absenkung des Stromes (Abkommutierung), wie dies in Patentanmeldung DE 10 2004 017 239 (P 10676) erläutert ist. Mittels dieser an sich bekannten Stromabsenkung kann die Abklingzeit des Spulenstroms von ca. 10 ms auf ca. 1,5 ms verringert werden.

Die Ströme ILS und IHS stellen die Ströme des low side- bzw. Rezirkulationspfades dar. Die Summe der beiden Ströme ILS + IHS erzeugt einen Spannungsabfall an Messwiderstand Rmess. der über Operationsverstärker OP3 verstärkt wird. Damit die Ströme ILS und IHS den gleichen Richtungssinn aufweisen, wird der Strom aus dem low side-Messkreis über einen Stromspiegel 14 geführt. Über Operationsverstärker OP3 wird die an Rmess abfallende Spannung verstärkt. Alternativ kann die Schaltung auch so ausgelegt werden, dass Verstärker OP3 als Spannungsfolger arbeitet.

Nach einem nicht dargestellten, alternativen Schaltungsbeispiel kann auch der gemessene low side-Strom direkt und der Rezirkulationsstrom über einen NMOS-Stromspiegel zusammengeführt werden. Allerdings ist hierzu erforderlich, dass Verstärker OP3 als invertierender Operationsverstärker mit dem Messwiderstand Rmess in der Rückkopplungsleitung ausgeführt ist, wobei der positive Eingang auf ein Referenzpotenzial gelegt wird.

Da während des Betriebs der Schaltung immer nur entweder der Strom ILS oder der Strom IHS fließt, steht am Ausgang von Verstärker OP3 innerhalb einer PWM-Periode sowohl während der Anschalt- als auch während der Abschaltzeit ein im wesentlichen kontinuierliches Signal zur Verfügung.

In 5 ist mit IL das ausgangsseitig an Verstärker OP3 (4) anliegende Spannungssignal im zeitlichen Verlauf bezeichnet. Da jedem Spannungswert ein bestimmter Stromwert zugeordnet ist, werden aus Gründen der Einfachheit die entsprechenden Spannungswerte als Ströme bezeichnet. Iavg bezeichnet das Signal, welches am Ausgang des Tiefpasses 11, 12 anliegt. In 5 ist erkennbar, dass das Signal Iavg noch eine kleine Restwelligkeit aufweist. Auf Grund der Induktivität der Last ist der Strom IL starken Schwankungen unterworfen. Bei zeitdiskreten Messungen des Stroms ergeben sich zumindest dann, wenn die Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschehen, unterschiedliche Strommesswerte. Durch Tiefpass 11, 12, dessen Grenzfrequenz anpassbar ist, wird das Signal IL geglättet. Zeitdiskrete Strommessungen, denen das geglättete Signal Iavg zu Grunde gelegt wird, sind dann gegenüber Messungen am ungeglätteten Signal IL erheblich genauer durchführbar.

In 6 ist beispielhaft ein sich vergleichsweise schnell ändernder Laststrom IL dargestellt, bei dem das durch den Tiefpassfilter 12, 11 geleitete geglättete Stromsignal nicht mehr schnell genug folgt. In diesem Fall muss zur Sicherstellung einer funktionierenden PWM-Regelung die Zeitkonstante des Tiefpasses herabgesetzt werden. Eine entsprechend niedrige Zeitkonstante führt dann jedoch zu einer nicht vollständigen Glättung des Signals und schließlich zu einer gewissen Verringerung der Stromregelgenauigkeit. Die Grenzfrequenz kann zwar im Mittel so eingestellt werden, dass sich einerseits eine Signalglättung ergibt, andererseits das Stromsignal noch schnell genug auf Stromänderungen reagiert jedoch ist damit noch nicht die höchstmögliche Strommessgenauigkeit erreicht.

Durch Einsatz eines adaptiven Tiefpasses mit veränderbarer Grenzfrequenz kann unter Beibehaltung einer bauteilsparenden Schaltung zugleich eine gute Glättung als auch eine verbesserte Dynamik erreicht werden. Die Veränderung der Grenzfrequenz kann zum Beispiel durch Ansteuerung eines MOS-Transistors als steuerbaren Widerstand 12 erfolgen, welcher einen für den vorliegenden Einsatzzweck ausreichend linearen Widerstandsbereich besitzt. Alternativ kann an Stelle von Transistor 12 beispielsweise eine Switched-Capacitor-Schaltung eingesetzt werden, in der sich über eine zur Ansteuerung verwendete Hilfsfrequenz ein variabler Widerstand einstellen lässt.

An Hand von 7 wird nachfolgend die Adaption der Grenzfrequenz des Filters erläutert. Soll ein konstanter Strom IL im Zeitbereich 15 präzise eingeregelt werden, kann die Grenzfrequenz fg des Tiefpasses auf einen vergleichsweise niedrigen Wert eingestellt werden. Wird der PWM-Regler durch eine neue Sollstromanforderung zu einer vergleichsweise schnellen Stromänderung (siehe Zeitbereich 16) veranlasst, wird die Grenzfrequenz des Tiefpasses so weit heraufgesetzt, dass eine ausreichende Dynamik gewährleistet ist. Bei Annäherung von Soll- und Istwert des Stromes (siehe Bereich 17) wird die Grenzfrequenz fg sodann wieder – was erfindungsgemäß bevorzugt ist – sukzessive reduziert, um eine hohe Stromregelgenauigkeit zu erreichen.

Die in 8 dargestellte Schaltung stellt ein Ausführungsbeispiel mit Auto-Kalibrierungseinrichtung dar und geht von dem Schaltungsbeispiel in 4 aus. Zusätzlich zur Schaltung in 4 ist eine digitale, also programmierbare Referenzstromquelle 22 vorhanden, mit der ein Referenzstrom Iref erzeugt werden kann. Iref wird über entsprechende Leitungen in den Strompfad der Last eingespeist, wobei der Strom außerdem über einen in 9 dargestellten Messwiderstand RRef_sense geführt ist. Da eine besondere Genauigkeit der Referenzstromquellen nicht erforderlich ist, können diese zweckmäßigerweise einfach aus in geeigneter Menge parallelgeschalteter elementarer Transistoren aufgebaut sein. Zur Bestimmung des durch die digitale Stromquelle erzeugten Stroms ist ein externer Messwiderstand (RRef_sense in 9 bzw. Rref_redun in 10) vorgesehen. "Extern" bedeutet hier, dass der Messwiderstand im Gegensatz zu den übrigen Schaltungsbauelementen nicht Bestandteil der integrierten Schaltung ist. Ein ebenfalls nicht dargestellter Spannungsabgriff an besagtem Messwiderstand wird A/D-Wandler 10 zugeführt. Weiterhin ist zusätzlich eine digitale Kompensationsstufe 18 vorhanden. Kompensationsstufe 18 umfasst einen Digitaleingang 23, mit dem ein von der Software vorgegebener Sollwert (symbolisiert durch Kasten 19) abhängig vom Digitaleingang korrigiert werden kann, z.B. indem ein Offsetwert digital addiert bzw. subtrahiert wird. Das offsetkompensierte Digitalsignal 20 gelangt dann in einen digitalen PID-Regler 21, welcher zur Generierung des duty cycle der PWM (d.c.) dient. Die Stromquellen ILS bzw. IHS symbolisieren den gemessenen low side- bzw. Rezirkulationsstrom. Wenn das am Ausgang des A/D-Wandlers auftretende digitale Ergebnis nicht mit dem erwarteten übereinstimmt, ist diese Abweichung ein Maß für den Fehler, der durch low side- bzw. Rezirkulationsmesspfad gemacht wird.

In der Schaltung entsprechend 8 wird zunächst ein Messstrom Iref in den low side-Pfad und anschließend in den Rezirkulations-Pfad eingespeist und mittels der Strommessschaltung jeweils der Iststrom bestimmt. Durch Vergleich des Iststroms mit dem bekannten Messstrom Iref wird ein Korrekturwert bestimmt, welcher in Form einer digitalen Korrektur in Kompensationsschaltung 18 zur Korrektur des Sollwerts 19 berücksichtigt wird. Werden die Vergleichsmessungen differentiell durchgeführt, kann hierbei vorteilhafterweise auch eine Berücksichtigung des A/D-Wandlerfehlers erfolgen. Die Kompensationsschaltung führt zu einer erheblich präziseren Stromeinstellung bei der PWM-Regelung, insbesondere dann, wenn durch entsprechende Einspeisung des Messstroms Iref jeder Messpfad separat in seiner Qualität bewertet wird. Dies kann besonders einfach dadurch erfolgen, dass der Messstrom zugleich den low side-Pfad und den Rezirkulations-Pfad durchläuft. Ein weiterer Vorteil der vorstehend beschriebenen Kompensationsschaltung besteht darin, dass preiswertere Analog-IC's mit geringerer Präzision eingesetzt werden können.

Die in 9 und 10 dargestellte Schaltung stellt ein zweites Ausführungsbeispiel mit Auto-Kalibrierungseinrichtung dar, wobei aus Gründen der vereinfachten Darstellung in 9 die Schaltungsteile für den low side-Pfad und in 10 die Schaltungsteile für den Rezirkulations-Pfad dargestellt sind. Die Schaltung ähnelt der Schaltung in 8 und 4, so dass nachfolgend nur auf die bestehenden Unterschiede eingegangen wird. Im Gegensatz zur Stromsummation in 4 wird bei dem Konzept gemäß 9 und 10 der Strommesswert des low side-Pfads und des Rezirkulationspfads über ein Spannungssignal miteinander verknüpft (Knotenpunkt 33). Prinzipiell kann an Stelle der beispielgemäßen analogen Signalverarbeitung auch eine Verarbeitung von Digitaldaten erfolgen. In diesem Fall wäre die Verknüpfung zweckmäßigerweise mittels eines digitalen Summenglieds zu realisieren. Mit Schalter 24 (24' in 10) kann der Referenzstrom Iref, der von Referenzstromquelle 22 (22' in 10) eingespeist Wird, über Messwiderstand RRef_Sense (RRef_redun in 10) Oder durch den low side-Pfad 1 (Rezirkulationspfad 2 in 10) geleitet werden. Entsprechend wird mittels Schaltern 25 und 26 (25' und 26' in 10) der Eingang des A/D-Wandlers 10 entweder mit RRef_Sense oder dem low side-Pfad 1 verbunden. Die Anordnung aus Leistungs-FET 27 (31 in 10) und Sense-FET 28 (32 in 10) im low side-Pfad 1 umfasst zusätzliche Verstärkerstufen 27' und 28', welche eine Anpassung des Messbereichs erlauben (siehe Beschreibung weiter unten). Der Offset lässt sich mit Offset-Kompensationsstufe 29 (29' in 10) kompensieren, welche mit dem Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden ist. In 10 ist der Ausgang der Kompensationsstufe 29' mit ähnlich wirkenden weiteren Differenz-Verstärkerstufen 34, 36 verbunden, die weiter unten noch näher erläutert werden. Am Ausgang 37 von Verstärkerstufe 36 steht ein analoges Stromsignal für den Rezirkulations-Pfad zur Verfügung, welcher mit Klemme 38 in 9 verbunden ist.

Auf welche Weise die einzelnen Messpfade des low side-Pfads und des Rezirkulationspfads durch den Einsatz von trimmbaren Stromquellen und Widerständen abgeglichen werden können, wird nachfolgend beschrieben. Genauer gesagt bedeutet dies, dass die Referenzstrommessungen jeweils für den low side-Pfad und den Rezirkulationspfad eigens durchgeführt werden müssen. Zunächst wird ein definierter Strom über RRef_Sense (9) geleitet. Dabei befinden sich die Schalter 24 und 25 in der in 9 durchgezogen gezeichneten Stellung. IRef wird mittels A/D-Wandler 10 ausgelesen. Dann wird dieser definierte Strom auch an FET 27' angelegt. Schalter 24, 25 und 26 befinden sich nun in der gestrichelt dargestellten Schalterstellung. Der durch Sense-FET 28 fließende Strom wird mittels A/D-Wandler 10 ausgelesen. Anschließend werden die obigen Messungen mit einem geringeren Strom noch einmal wiederholt. Entsprechend der mit verschiedenen Referenzströmen durchgeführten Messungen wird eine Verstärkungs-Trimmung über einen digitalen Trimmwiderstand 30 (30' in 10) in 4 vorgenommen. Des Weiteren erfolgt eine Offset-Trimmung mit Schaltungsteil 29.

Bevorzugt werden die oben beschriebenen Kalibrierungsschritte sowohl für den low side- (9) als auch für den Rezirkulationspfad (10) iterativ durchgeführt, wobei sich mit zunehmender Zahl von Schritten die Genauigkeit bestehend aus Offset und Verstärkungsfaktor schrittweise erhöht. Nach ein paar wenigen Iterationsschritten kann das Verfahren in der Regel bereits abgebrochen werden, da sich die Genauigkeit des iterativen Verfahrens dann nur noch in geringem Maße erhöht.

Die obigen Schaltungsbeispiele betreffen jeweils einen Lastansteuerungskanal einer mehrkanaligen PWM-Endstufe. Teile der Schaltungen, wie etwa der externe Messwiderstand RRef_Sense sind jedoch nur einmal vorhanden und werden durch jeden Kanal der Stufe verwendet. Entsprechend müssen die Referenzstrommessungen, die den externen Messwiderstand betreffen, lediglich einmal durchgeführt werden. Alle weiteren Kalibriermessungen müssen für jeden Endstufenkanal gesondert durchgeführt werden.

Die oben beschriebene Kalibriermethode kann auch zu späteren Zeitpunkten – auch während der Regelung – wiederholt bzw. fortgesetzt werden unter der Voraussetzung, dass der betreffende zu kalibrierende Kanal zu dieser Zeit nicht durch die PWM-Ansteuerung angesteuert wird.

Die Schaltungsbeispiele in 9 und 10 umfassen neben den FETs 27, 28, 31 und 32 außerdem noch zusätzliche Schaltungsmittel 28, 28', 28'', 32, 32' und 32'' zur Erhöhung der Auflösung im aktiven Strombereich. Bei einem 10 Bit A/D-Wandler ist die Auflösung über einen Bereich von 3 A auf ca. 3 mA begrenzt. Eine höhere Auflösung kann durch eine Beschränkung des messbaren Strombereichs auf einen bestimmten, benötigten Dynamikbereich erreicht werden. So ist z.B. mit der in 8 bzw. 9 gezeigten Schaltung durch das separate Hinzuschalten gleichgroßer Sense-FETs 28' und 32' eine Umschaltung zwischen 1 A, 2 A und 3 A messbarem Maximalstrom möglich. Entsprechend ergibt sich eine mögliche Auflösung von 1 bis 3 mA im jeweiligen Bereich.

Die Auswahl des Strommessbereichs kann durch Logik erfolgen, z.B. durch Berücksichtigung des aktuellen Sollwertes des Stroms.

Entsprechend kann die Auflösung des A/D-Wandlers auch dadurch besser ausgenutzt werden, indem ein geeigneter Offset-Wert zunächst subtrahiert und später, nach der A/D-Wandlung, wieder addiert wird.

Zusätzlich ist es möglich, nach einem weiteren Beispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung diese mit Fail-Safe Strukturen 34 so zu erweitern, dass ein redundantes Stromsignal zur Verfügung steht. Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn A/D-Wandler 10 ein gegenüber dem anderen Redundanz-Pfad (Differenz-Verstärkerstufe 36 bestehend aus Spannnungsfolger-OP und nachgeschaltetem Differenz-OP) invertiertes (siehe Differenzverstärker 34) oder geändertes Messsignal an Leitung 39 zur Verfügung gestellt wird, wodurch die A/D-Wandlung überprüft werden kann.


Anspruch[de]
Verfahren, bei dem eine Strommessung innerhalb einer integrierten PWM-Regelungsschaltung mittels zumindest einem A/D-Wandler durchgeführt wird, welcher insbesondere ebenfalls in der Schaltung integriert ist, wobei die PWM-Regelung zur Ansteuerung von induktiven Lasten vorgesehen ist und diese insbesondere in einer elektronischen Schaltung eines elektronischen Regler für ein Kraftfahrzeugbremssystem angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ermitteln des Iststroms der PWM-Regelung, welcher mit Hilfe des zumindest einen A/D-Wandler bestimmt wird, der Strom mittels eines Tiefpasses geglättet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättung des Stroms mittels einer Tiefpassschaltung erster oder höherer Ordnung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenzfrequenz des Tiefpasses oder dessen Zeitkonstante veränderbar ist und diese insbesondere in Abhängigkeit des PWM-Sollstroms oder der PWM-Sollstromänderung verändert wird. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenzfrequenz oder die Zeitkonstante des Tiefpasses, so gewählt wird, dass die obere Grenzfrequenz der induktiven Last nicht unterschritten bzw. deren Zeitkonstante nicht überschritten wird. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Autokalibrierung zur Erhöhung der Strommessgenauigkeit durchgeführt wird, indem zunächst für eine bestimmte Zeit ein Referenzstrom durch den Strompfad der Lastansteuerung und/oder in den Strompfad der Rezirkulation geleitet wird und auf Basis des in dieser Zeit gemessenen Stromsignals ein oder mehrere Korrekturwerte ermittelt wird/werden. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die PWM-Treiber einen Schaltpfad und einen Rezirkulationspfad besitzen und der Referenzstrom sowohl durch den Rezirkulationspfad als auch durch den Ansteuerpfad geführt wird, wobei insbesondere jeweils für beide Pfade eigene Korrekturwerte gebildet und verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzstrom über das Bauelement zur Strommessung geleitet wird und am Ausgang des mit dem Strommessbauelement verbundenen A/D-Wandlers dieser für die Erstellung von mindestens einem Korrekturwert für die Autokalibrierung genutzt wird. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die ermittelten Korrekturwerte zur Korrektur des Iststroms und/oder zur Korrektur des Sollstroms herangezogen wird/werden, und dass nach der Autokalibrierung bei der Strommessung der oder die ermittelten Korrekturwerte zur Korrektur des gemessenen Stromsignals oder zur Korrektur des Sollwerts der PWM-Regelung herangezogen wird/werden. Schaltungsanordnung in einem elektronischen Regler für Kraftfahrzeugbremssysteme mit einer in einem integrierten Schaltkreis angeordneten mehrkanaligen PWM-Endstufe zur Ansteuerung von induktiven Lasten, wobei zur Messung des Iststroms, welcher durch eine induktive Last fließt, zumindest ein A/D-Wandler eingesetzt wird, welcher insbesondere ebenfalls im integrierten Schaltkreis integriert ist, gekennzeichnet, durch einen im Signalpfad zur Messung des Stroms vorhandenen Tiefpass (11) zur Glättung des Stromsignals. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass ein anologer Tiefpass erster, zweiter oder höherer Ordnung ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpass mit diskreten Bauelementen außerhalb der integrierten Schaltung und/oder mittels Switched-Capacitor Technik innerhalb des bzw. eines integrierten Schaltkreises realisiert ist. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Endstufentreiber einen Ansteuerpfad und einen Rezirkulationspfad umfasst, wobei sowohl im Rezirkulationspfad als auch im Ansteuerpfad ein elektronisches Bauelement zur Strommessung vorgesehen ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der im Rezirkulationspfad bestimmte Stromwert und der im Ansteuerpfad bestimmte Stromwert über ein Summenglied, wie insbesondere einen Schaltungsknotenpunkt (33) oder einen digitales Summierglied, zu einem gemeinsamen Strom- oder Spannungssignal zusammengeführt werden. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis zur Messung des Stroms zumindest ein Widerstandsbauelement umfasst, wobei der Strom über den Spannungsabfall bestimmt wird. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis zur Messung des Stroms zumindest einen Sense-FET umfasst. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationspfad aktiv geschaltet wird. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das vom Rezirkulationspfad oder vom Ansteuerpfad bestimmte Stromsignal vor dem Zusammenführen über einen Stromspiegel geführt wird, so dass beide aus den verschiedenen Pfaden bestimmte Stromsignale die gleiche Stromrichtung aufweisen. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Endstufe hinsichtlich des Stromoffsets und/oder des Verstärkungsfaktors mittels Korrekturwerten kalibrierbar ist, wobei die Korrekturwerte insbesondere nach dem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8 ermittelt werden. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bereichsumschaltung für den/die A/D-Wandler vorhanden ist, so dass der/die A/D-Wandler, welche/r durch eine feste Bit-Anzahl für einen bestimmten, vorgegebenen Strombereich eine bestimmte Auflösung besitz-t/-en, durch eingangsseitige Begrenzung des Strombereichs mit einer höheren Stromauflösung betrieben werden kann/können. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereichsumschaltung durch eine Logik automatisch vorgenommen wird, insbesondere in Abhängigkeit des Sollstromes und vorgegebenen Sollstrombereichen. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Bereichsumschaltung Schaltungselemente zur Offsetsubtraktion vorhanden sind, mit denen eine Erhöhung der nutzbaren A/D-Wandler-Auflösung erreicht wird. Verwendung der Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 21 in einem Regler für elektronische Kraftfahrzeugbremssysteme, bei dem elektromagnetische Hydraulikventile über PWM-Endstufen zur Einstellung des Hydraulikdrucks innerhalb der Radbremsen des Kraftfahrzeugs genutzt werden.






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