DE19950027A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements beschrieben. Das Stellelement ist mit einem impulsförmigen Ansteuersignal ansteuerbar. Mit einer ersten Periodendauer ist eine erste Impulsfolge vorgebbar. Mit einer zweiten Periodendauer wird eine Größe bestimmt, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt. Nach jeder Bestimmung der Größe, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, wird ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst und die erste Impulsfolge neu gestartet.

Description

Ein Verfahren einer Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements sind beispielsweise aus der DE 19 74 835 bekannt. Dort werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements beschrieben. Das Stellelement wird dabei mit einem Ansteuersignal beaufschlagt.

Häufig werden impulsförmige Ansteuersignale verwendet. Dabei werden impulsförmige Ansteuersignale mit fester Frequenz (PWM-Frequenz) und veränderlicher Pulsdauer verwendet. Dabei wird abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen, abhängig von denen das Stellelement beeinflußt wird, eine Größe bestimmt, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt.

Die Berechnung dieser Größe erfolgt vorzugsweise von einem Mikrocomputer in bestimmten Zeitabständen. Diese Zeitabstände definieren die Aktualisierungsfrequenz.

Die Größe, die die Pulsdauer bestimmt entspricht der Stellgröße für das Stellelement und kann auch als PWM- Tastverhältnis bezeichnet werden.

Das durch die Steuerung und/oder Regelung berechnete Ansteuersignal für das Stellelement wird als pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) ausgegeben. Um einen möglichst robusten und leistungsfähigen Regelkreis zu erhalten beziehungsweise um eine dynamisch gute Steuerung zu erzielen, sollte die Gesamttotzeit des Systems möglichst niedrig sein. Dies kann beispielsweise durch die Wahl einer möglichst hohen Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals (PWM-Signal) im Vergleich zur Aktualisierungsfrequenz der Pulsdauer erreicht werden. Mit der Aktualisierungsfrequenz wird üblicherweise die Häufigkeit der Neuberechnung der Pulsdauer des Ansteuersignals bezeichnet.

Üblicherweise erfolgt die Bildung des PWM-Signals in einem Mikrocomputer, der auch die Berechnung der Steuer- und/oder Regelgrößen und insbesondere der Pulsdauer durchführt.

Üblicherweise ist die PWM-Frequenz nicht beliebig wählbar. Insbesondere bei steigender PWM-Frequenz steigt die Verlustleistung in der Endstufe an.

Üblicherweise wird deshalb das PWM-Signal mit der Aktualisierungsfrequenz synchronisiert. Dies bedeutet, daß die Ausgabe des pulsweitenmodulierten Signals direkt nach der Neuberechnung der Pulsdauer gestartet wird. Dadurch kann die Totzeit deutlich reduziert werden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren einer Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements der eingangs genannten Art, einen stabilen Regel- und/oder Steuerkreis mit guter Dynamik zu erzielen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann ein dynamisch stabiler Regelkreis beziehungsweise eine dynamisch gute Steuerung erzielt werden. Die auftretenden Totzeiten sind minimiert.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Steuervorrichtung für ein Stellelement, Fig. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Fig. 3 und 4 verschiedene über der Zeit t aufgetragene Signale.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Steuereinheit 10, welche wenigstens über eine Eingangsschaltung 12, wenigstens einen Mikrocomputer 14 und wenigstens eine Ausgangsschaltung 16 verfügt. Diese Elemente sind über ein Kommunikationssystem 18 zum gegenseitigen Datenaustausch miteinander verbunden. Von der Ausgangsschaltung 16 der Steuereinheit 10 geht wenigstens eine Ausgangsleitung 20 zu einem elektrisch betätigbaren Stellelement 22. Dieses besteht im wesentlichen aus einem elektrischen Stellmotor 24, der über eine mechanische Verbindung 26 mit dem eigentlichen Stellelement 30, einer im Luftansaugsystem 28 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe, verbunden ist. Ferner ist im Bereich des Stellelements 22 eine Meßeinrichtung 36 vorgesehen, welche über die Leitung 38 der Steuereinheit 10, dort der Eingangsschaltung 12, ein Signal wdkba zuführt, welches die aktuelle Stellung des Stellelements, insbesondere die der Drosselklappe 30, repräsentiert. Ferner wird der Eingangsschaltung 12 eine Eingangsleitung 40 zugeführt, über die ein Signal wped von einer Meßeinrichtung 42 übermittelt wird. Dieses Signal repräsentiert die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, insbesondere eines Fahrpedals. Ferner sind Eingangsleitungen 40 bis 44 vorgesehen, die von Meßeinrichtungen 50 bis 54 weitere Betriebsgrößen, die zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet werden, beispielsweise Motortemperatur, Motordrehzahl, zugeführte Luftmasse, etc. zuführen. Eine weitere Eingangsleitung 56 übermittelt von einer entsprechenden Meßeinrichtung 58 ein die Versorgungsspannung Ubat des Steuersystems repräsentierendes Signal. Versorgungsspannung bedeutet in diesem Fall die Spannung der Batterie, mit der z. B. das Stellelement und die dieses steuernden Komponenten versorgt werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Stellelement 22 im Rahmen eines geschlossenen Lageregelkreises eingestellt. Der Sollwert wird dabei aus der Fahrpedalstellung wped, ggf. unter Berücksichtigung weiterer Betriebsgrößen wie der zugeführten Luftmasse und der Motordrehzahl, gebildet.

Dieser Sollwert wird mit dem Istwert zur Feststellung der Abweichung zwischen Soll- und Istwert verglichen. Abhängig von der Abweichung bildet ein Regler nach Maßgabe seiner vorgegebenen Regelstrategie (z. B. PID) ein Ansteuersignal, welches über die Leitung 20 zur Betätigung des Stellelements 22 ausgegeben wird. Dabei nähert sich der Istwert wdkba dem Sollwert an. Ein solcher Regelkreis weist eine vorgegebene Kreisverstärkung auf, das heißt eine Verstärkung zwischen dem Ausgangssignal des Reglers und der Stellgröße, die von der Versorgungsspannung abhängig ist.

Neben der Anwendung dieser Vorgehensweise auf die beschriebene Lageregelung ergeben sich entsprechende Vorteile bei der Anwendung bei anderen Regelkreisen, welche über ein Stellelement die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine beeinflussen wie beispielsweise eine Drehzahlregelung, eine Momentenregelung, eine Lastregelung, etc.

In Fig. 2 sind die wesentlichen Elemente zur Bildung des Ansteuersignals als Blockdiagramm dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Das Stellelement 24 steht vorzugsweise über eine Endstufe 200 mit einer Versorgungsspannung Ubat in Verbindung. Die dargestellte Anordnung der Endstufe und des Stellelements ist nur beispielhaft gewählt. Es kann, wie dargestellt, sich bei der Endstufe 200 um ein einzelnes Schaltmittel handeln. Bei besonders vorteilhaften Ausgestaltungen kann auch vorgesehen sein, daß weitere Schaltmittel vorgesehen sind. Häufig werden auch sogenannte Halbbrückenschaltungen oder H-Brückenschaltungen als Endstufe verwendet.

Die Endstufe wird mit einem Ansteuersignal A beaufschlagt, das von einer Signalbildung 210 bereitgestellt wird. Die Signalbildung verarbeitet das Ausgangssignal C eines Taktgebers 220 und das Ausgangssignal D des Mikrocomputers 14. Bei dem Signal C handelt es sich vorzugsweise um ein impulsförmiges Signal mit einer bestimmten festen Frequenz. Die Frequenz entspricht der PWM-Frequenz und bestimmt die Periodendauer des Ansteuersignals A. Das Signal D bestimmt die Pulsdauer des Ansteuersignals A und entspricht der Stellgröße. Ausgehend von den Signalen C und D ergibt sich das Ansteuersignal A, das ebenfalls ein impulsförmiges Signal darstellt, dessen Pulsdauer durch das Signal D und dessen Frequenz durch das Signal C bestimmt ist.

In Fig. 3a sind verschiedene Signale über der Zeit t aufgetragen. In der ersten Zeile ist das Taktsignal C des Taktgebers 220 aufgetragen. In der zweiten Zeile sind die Zeiten dargestellt, in denen das Ansteuersignal D berechnet wird. In der dritten Zeile ist das Ansteuersignal A aufgetragen. Mit senkrechten Linien ist ein vorgegebenes Zeitraster markiert. Innerhalb des Zeitrasters erfolgt üblicherweise die Berechnung der Stellgröße durch den Mikrocomputer 14. Das Zeitraster wird durch die Aktualisierungsfrequenz bestimmt.

Der in Fig. 3a dargestellte Zustand entspricht dem idealen Zustand, das heißt unmittelbar vor dem Zeitraster wird die Stellgrößen (Pulsdauer) berechnet. Unmittelbar anschließend an das Zeitraster treten die Taktimpulse C des Taktgenerators 220 auf, wobei dann zu jedem Beginn eines Zeitraster ein Impuls des Ausgangssignals A mit dem neu berechneten Wert der Pulsdauer auftritt. Nach jeder Neuberechnung der Pulsdauer, die unmittelbar vor dem Zeitraster erfolgt, wird mit Beginn des Zeitrasters ein neuer PWM-Zyklus gestartet.

Problematisch ist hierbei, daß unter realen Bedingungen die Berechnung der Pulsdauer nicht exakt im gleichen Zeitabständen erfolgt, wie die Ausgabe der Taktimpulse C. Dies wird beispielsweise dadurch verursacht, daß Interrupts auftreten können, die die Berechnung durch den Mikrocomputer verzögern. Dies kann zur Folge haben, bei einem üblichen Zeitraster von 1 msec Zeitraster der Berechnung 200 µsec früher oder später als üblich erfolgt. Ein entsprechender Signalverlauf ist in der Fig. 3b dargestellt.

Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt die Berechnung einige Zeit nach dem Zeitraster. Die Ausgabe eines Impulses des Ansteuersignal A, der durch den Taktimpuls verursacht wird, erfolgt unmittelbar nach dem Zeitraster, da die Ansteuersignale mit der festen Periodendauer wiederholt wird, die durch das Taktsignal C bestimmt werden. Nach der Berechnung der Pulsdauer wird das Ansteuersignal A erneut ausgegeben, da es bei jeder Neuberechnung auch neu synchronisiert und erneut ausgegeben wird. Dies führt zu einer doppelten Impulsausgabe, wie dies in der dritten Zeile der Fig. 3b dargestellt ist. Eine solche doppelte Ausgabe des Ansteuersignal A führt zu einer ungünstigen Beeinflussung des Gesamtsystems.

Eine Lösung dieses Problems kann vorsehen, daß auf die Synchronisierung der PWM-Ausgabe mit der Aktualisierungsfrequenz bzw. Mit dem Zeitraster verzichtet und eine zusätzliche kleine Totzeit eingeführt wird. Dies bedeutet, die PWM-Ausgabe wird soweit gegenüber dem Zeitraster verzögert, daß auch eine verspätete Berechnung der Stellgröße bei der Ausgabe der Impulse des Ansteuersignals berücksichtigt werden kann. Das heißt, die definierte Totzeit ist so groß zu wählen, daß die Neuberechnung der Pulsdauer auf jeden Fall immer vor der Ausgabe des neuen Impulses des Ansteuersignals liegt.

Diese Vorgehensweise führt zu einer zusätzlichen Totzeit. Diese zusätzliche Totzeit führt ebenfalls zu einer negativen Beeinflussung des Gesamtsystems. Desweiteren ist diese Lösung nur dann einsetzbar, wenn die PWM-Frequenz ein exaktes Vielfaches des Aktualisierungsfrequenz ist. Ist dies nicht der Fall, so tritt eine Schwebung zwischen der PWM- Ausgabe und der PWM-Berechnung auf, die zu einer ständig variablen Totzeit führt und das System ebenfalls sehr negativ beeinflußt.

Zur Lösung dieser Probleme wird erfindungsgemäße wie folgt vorgegangen. Es wird eine solche PWM-Frequenz gewählt, daß ein neuer Impuls des Taktsignals C und damit des Ansteuersignals A erst nach der spätestmöglichen Neuberechnung der Pulsdauer auftritt. Es erfolgt weiterhin eine Synchronisation des Ansteuersignals A bei jeder Neuberechnung der Pulsdauer, das heißt nach jeder Berechnung der Pulsdauer wird ein Impuls des Ansteuersignals ausgegeben und eine neue Impulsfolge des Impulssignals C des Taktgebers gestartet. Die entsprechenden Signale sind in Fig. 4a entsprechend wie in Fig. 3a oder 3b dargestellt.

In der zweiten Zeile der Fig. 4a sind eine verfrühte und eine verspätete Berechnung der Pulsdauer dargestellt, die deutlich vor, bzw. deutlich nach dem Zeitraster erfolgen. Dadurch, daß das Taktsignal eine deutlich längere Periodendauer aufweist als das Zeitraster treten keine Doppelimpulse auf. Durch die Synchronisation des Ansteuersignals nach jeder Berechnung der Pulsdauer mit dem Impulssignal C wird eine Verschiebung der beiden Signale gegeneinander vermieden. Bei dieser Ansteuerung erfolgt nach jeder Neuberechnung der Pulsdauer eine Ausgabe eine Impulses des Ansteuersignals.

Vorzugsweise wird die PWM-Frequenz f nach der folgenden Formel berechnet:

f = 2000/(1 ms+x)

Dabei ist x der maximale Abstand zwischen der Berechnung der Pulsdauer und dem Zeitraster, der in ms angegeben ist.

Erfindungsgemäß ist eine erste Impulsfolge mit einer ersten Periodendauer vorgebbar. Mit einer zweiten Periodendauer wird eine Größe bestimmt, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt. Nach jeder Bestimmung der Größe, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, wird ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst und die erste Impulsfolge neu gestartet. Dies bedeutet, die Ausgabe des Anssteuersignals und des Taktsignale werden neu synchronisiert. Bei jedem weiteren Impuls der ersten Impulsfolge wird ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst wird. Dies bedeutet erfolgt keine Berechnung der Periodendauer, so werden die Impulse des Ansteuersignals mit der Frequenz bzw. der Periodendauer des Taktsignals ausgegeben. Die erste Impulsfolge entspricht dem Taktsignal C. Die erste Periodendauer bestimmt die PWM-Frequenz. Die zweite Periodendauer bestimmt die Aktualisierungsfrequenz.

Die Frequenz bzw. die Periodendauer des Taktsignals ist so gewählt, daß die erste Periodendauer und die Abstände der Bestimmung der Größe, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, kein ganzzahliges Vielfaches ist. Dies bedeutet, daß die Aktualisierungsfrequenz und die PWM-Freguenz f kein ganzzahliges Vielfaches sind.

Vorzugsweise weichen die Aktualisierungsfrequenz und die PWM-Frequenz derart voneinander ab, daß die erste Periodendauer um eine Fehlerzeit länger ist, als, die zweite Periodendauer.

Besonders vorteilhaft ist es, daß dieses Verfahren auch dann verwendet werden kann, wenn die PWM-Frequenz und die Rasterfrequenz nicht übereinstimmen. Eine solche Ausführungsform, bei der die PWM-Frequenz doppelt so groß ist wie die Rasterfrequenz, ist in Fig. 4b dargestellt.

Die entsprechenden Signale sind in Fig. 4b entsprechend wie in Fig. 3a oder 3b dargestellt.

In der zweiten Zeile der Fig. 4b sind eine verfrühte und eine verspätete Berechnung der Pulsdauer dargestellt, die deutlich vor, bzw. deutlich nach dem Zeitraster erfolgen. Die Taktsignale treten in dem dargestellten Ausführungsbeispiel doppelt so häufig auf, wie das Zeitraster. Bei dieser Ansteuerung erfolgt nach jeder Neuberechnung der Pulsdauer eine Ausgabe eines ersten Impulses des Ansteuersignals. Ferner wird zusätzlich ein zweiter Impuls des Ansteuersignals ausgegeben, der im Abstand der Periodendauer der Taktimpulse C nach dem ersten Impuls auftritt. Durch diese Vorgehensweise wird die Synchronisierung zwischen der Berechnung der Pulsdauer und der Ausgabe des Ansteuersignals A sichergestellt. Die Totzeit ist minimiert. Die Stabilität des Regelkreis ist nicht beeinträchtigt.

Bei dieser Ausführungsform weichen die Aktualisierungsfrequenz und die PWM-Frequenz derart voneinander ab, oder daß die erste Periodendauer um eine Fehlerzeit kürzer ist, als die zweite Periodendauer.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung eines Stellelements, wobei das Stellelement mit einem impulsförmigen Ansteuersignal ansteuerbar ist, wobei mit einer ersten Periodendauer eine erste Impulsfolge vorgebbar ist und mit einer zweiten Periodendauer eine Größe bestimmt wird, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, wobei nach jeder Bestimmung der Größe, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst und die erste Impulsfolge neu gestartet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem weiteren Impuls der ersten Impulsfolge ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Periodendauer und die zweite Periodendauer kein ganzzahliges Vielfaches ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Periodendauer um eine Fehlerzeit länger ist, als die zweite Periodendauer.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Periodendauer um eine Fehlerzeit kürzer ist, als die zweite Periodendauer.

6. Vorrichtung zur Steuerung eines Stellelements, mit Mitteln, die das Stellelement mit einem impulsförmigen Ansteuersignal ansteuern, wobei sie mit einer ersten Periodendauer eine erste Impulsfolge vorgeben und mit einer zweiten Periodendauer eine Größe bestimmen, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, und nach jeder Bestimmung der Größe, die die Pulsdauer des Ansteuersignals festlegt, ein Impuls des Ansteuersignals ausgelöst und die erste Impulsfolge neu startet.