Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Stromes für eine Stromregelung eines Ventils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Stromes für eine Stromregelung eines mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten, stromgeregelten Hydraulikventils .

Viele Hydraulikventile, insbesondere in einem Fahrzeug, werden mittels Pulsweitenmodulation angesteuert. Hierbei ist es be ^¬ sonders für eine Regelung des Hydraulikventils wichtig, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation aus dem Stromsignal des Hydraulikventils möglichst gut herausgefiltert wird.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde legt, ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das beziehungsweise die dazu beiträgt, dass das Hydraulikventil sehr zuverlässig geregelt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Stromes für eine Stromregelung eines mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten, stromgeregelten Hydraulikventils. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung, die zu dem Verfahren zur Ermittlung des Stromes korrespondiert. Es wird ein an dem Hydraulikventil anliegender Strom abgegriffen. Ein erstes gefiltertes Stromsignal wird mittels analoger Tiefpassfilterung des abgegriffenen Stroms ermittelt. Ein hierfür eingesetzter Tiefpassfilter weist eine vorgegebene Eckfrequenz auf, die derart vorgegeben ist, dass der durch die analoge Tiefpassfilterung erzeugte Phasengang in etwa einem Phasengang entspricht, der bei einer Sigma-Delta-Wandlung erzeugt wird. Das gefilterte Stromsignal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers mit einer Abtast-Halte-Schaltung di ^¬ gitalisiert mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, die ein ganzzahliges vielfaches der Frequenz der Pulsweitenmodulation ist. Ein gefiltertes digitales Stromsignal wird mittels di ^¬ gitaler Mittelwertfilterung des digitalisierten Stromsignals ermittelt zur Stromregelung des Hydraulikventils.

Der Analog-Digital-Wandler mit Abtast-Halte-Schaltung kann auch als Sample&Hold-AD-Wandler bezeichnet werden. Mittels der analogen Tiefpassfilterung mit der vorgegebenen Eckfrequenz kann dazu beigetragen werden, dass der Strom mit einer hohen Dynamik gefiltert wird, die ungefähr der Dynamik eines Sigma-Delta-Wandlers entspricht. Durch die anschließende Überabtastung und Mittelwertfilterung kann dazu beigetragen werden, dass das Stromsignal weiter geglättet wird, so dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation in dem gefilterten Stromsignal noch weiter herausgefiltert wird. Dadurch kann ein sehr gutes Signal zur Regelung bereitgestellt werden, so dass das Hyd ^¬ raulikventil sehr zuverlässig geregelt werden kann. Das ge- filterte digitale Stromsignal kann beispielsweise als Regelgröße für eine Regelung verwendet werden und mit einer vorgegebenen Führungsgröße verglichen werden um für die Pulsweitenmodulation eine Stellgröße zu ermitteln. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist ein für die digitale Mittelwertfilterung eingesetzter Mittelwertfilter eine Breite auf, die dem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz der Pulsweitenmodulation entspricht. Die Breite des Mittelwertfilters repräsentiert hierbei die Anzahl von Werten, aus denen jeweils ein Mittelwert gebildet wird. Entspricht die Breite also beispielsweise dem Wert sechs, so wird aus den letzten sechs Werten des digitalen Stromsignals ein Mittelwert gebildet. Weist der Mittelwertfilter die Breite auf, die dem ganzzahligen vielfachen Frequenz der

Pulsweitenmodulation entspricht, so weist das gefilterte di ^¬ gitale Stromsignal eine Frequenz auf, die der Frequenz der Pulsweitenmodulation entspricht. Hierdurch wird also das ge- filterte digitale Stromsignal auf die Frequenz der

Pulsweitenmodulation dezimiert. Hierdurch kann besonders einfach eine Regelung erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die vorgegebene Abtastfrequenz eine Sechsfache der Frequenz der Pulsweitenmodulation .

Je größer die Überabtastung ist, desto besser kann das digitalisierte Stromsignal geglättet werden, allerdings steigt gleichzeitig die benötigte Rechenleistung. Bei einer sechsfachen Überabtastung erfolgt eine sehr gute Glättung des digitali ^¬ sierten Stromsignals bei gleichzeitig möglichst geringer Re ^¬ chenbelastung . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt die vorgegebenen Eckfrequenzen in etwa zwischen 1000 Hz und 1500 Hz.

In etwa bedeutet in diesem Zusammenhang, dass insbesondere mess- oder fertigungsbedingte Toleranzen von ± 10 % um den jeweilig angegebenen Wert eingeschlossen sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt die vorgegebene Eckfrequenz in etwa bei 1250 Hz. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Bode-Diagramm verschiedener Filtermethoden,

Figur 2 das Messprinzip einer Sigma-Delta-Messung, Figur 3 das Messprinzip eines Analog-Digital-Wandlers mit Abtast-Halte-Schaltung,

Figur 4 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung eines Stroms für eine Stromregelung, und

Figur 5 eine Vorrichtung zur Ermittlung des Stroms,

Figur 6 eine Sprungantwort verschiedener Systeme und Figur 7 eine Systemantwort zu Rauschen.

In Steuergeräten, wie sie in der Automobiltechnik verwendet werden, wird der Strom in Hydraulikventilen geregelt. Derartige Ventile werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um in hydraulischen Leitungen Kanäle zu öffnen oder zu schließen.

Beispielsweise können mit Magnetventilen in einem automatischen Getriebe die einzelnen Schaltstufen ruckfrei und verschleißarm geschaltet werden. Sehr häufig werden dabei die Magnetventile im linearen, beziehungsweise analogen Bereich durch pulsweiten- modulierte Signale (PWM-Signale) mit einer für das Magnetventil hohen Frequenz betrieben. Für diese Regelung wird eine Messung des Stromes benötigt, in der die PWM-Ansteuer-Frequenz der Ventile, typischerweise 3 kHz, nicht mehr zu sehen ist bzw. durch einen Filter genügend stark abgedämpft wird. Eine bekannte Lösung dieses Problems ist, dass für die Strom ^¬ messung ein analoger Tiefpass-Filter n-ter Ordnung mit einer Eckfrequenz deutlich unterhalb der PWM-Frequenz eingesetzt wird (Beispiel: Tiefpass 2. Ordnung mit 155 Hz) . Bei diesem Filter ergibt sich ein relativ großer Phasenverzug (gestrichelte Linie in Fig. 1), wodurch die mögliche Dynamik des Stromreglers stark eingeschränkt wird, hervorgerufen durch die Signalverzögerung durch die Filterlaufzeit und die Dämpfung hoher Frequenzen. Eine Alternative stellt die Messung mit einem sog. Sig- ma-Delta-Wandler über die Dauer einer PWM-Periode dar. Der Vorteil dieser Messmethode ist die optimale Dämpfung der An ^¬ steuerfrequenz ohne den Einsatz eines zusätzlichen analogen Filters .

Der Einsatz eines solchen Wandlers hat aber auch einige

Nachteile. Erstens sind Sigma-Delta-Wandler häufig nicht oder nicht in ausreichender Anzahl auf den Microcontrollern integriert, wodurch ein externer Baustein notwendig wird, der zusätzliche Kosten verursacht. Zudem gibt es aufgrund der

Synchronität mit der PWM-Frequenz und, da der Regler nicht in „Nullzeit" rechnet, immer eine feste Totzeit von einer ganzen PWM-Periode für die Reglerreaktion, siehe Fig. 2. Bei einem klassischen Sample&Hold-AD-Wandler mit analogem Filter ist diese Totzeit - zwischen Messung und Reglerreaktion - normalerweise nicht größer als eine halbe PWM-Periode (siehe Fig. 3), wobei CO in Figur 3 für eine Control-Out-Periode steht. Das bedeutet, dass das System bei Einsatz eines Sigma-Delta Wandlers mindestens eine halbe PWM-Periode zusätzliche Totzeit hat. Der Phasengang dieser zusätzlichen Totzeit (durchgezogene Linie in Fig. 1) nähert sich in den tieferen Frequenzen dem Phasengang eines PTl-Filters (gepunktete Linie in Fig. 1) bzw. dem eines PT2- Filters (strichgepunktete Linie in Fig. 1) mit einer Eckfrequenz von 1250Hz an.

Als PT1- bzw. PT2-Filter wird in der Regelungstechnik ein Übertragungsglied bezeichnet, welches ein proportionales

Übertragungsverhalten mit Verzögerung 1. Ordnung bzw. 2. Ordnung aufweist. Mit der Ordnung eines Filters wird die Verstär ^¬ kungsabnahme (Dämpfung und Flankensteilheit) von Frequenzen oberhalb oder unterhalb der jeweiligen Grenzfrequenz des Filters beschrieben.

Aufgrund der Abtastung über genau eine PWM-Periode werden beim Sigma-Delta-Wandler nur Störungen ausgefiltert, deren Frequenzen ein ganzzahliges Vielfaches der PWM-Frequenz sind. Alle anderen Störungen werden vom Sigma-Delta-Wandler mit einer

Mischfrequenz weitergegeben (diagonal schraffierte Kurve in Fig. 7) . Figur 7 zeigt hierbei eine jeweilige Systemantwort bei einer Messung mit einem 2990 Hz Sinus-Rauschen. Zur Vermeidung der Nachteile der beiden oben beschriebenen bekannten Verfahren wird nachfolgend anhand von Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung von Ventilströmen vorgeschlagen . Fig. 4 zeigt eine Kombination aus einem analogen Tiefpassfilter mit hoher Eckfrequenz, einem A/D-Wandler mit Sample&Hold- Schaltung und einem digitalem SINC Tiefpass-Filter . Der SINC Tiefpass-Filter kann auch als digitaler Mittelwertfilter 40 bezeichnet werden. Dabei ist Fs = analoger Signalwert und OSR = Überabtastrate (Over Sampling Rate) .

Es wird ein analoger Tiefpass (siehe S3 in Figur 4) mit einer hohen Eckfrequenz, beispielsweise ein PT2-Filter mit 1250 Hz verwendet und auf einen klassischen Sample&Hold-AD-Wandler geführt. Der vorgeschaltete analoge Tiefpassfilter hat die Aufgabe, sowohl analoge Störungen in der Nähe der PWM-Ansteuerfrequenz (typisch 3kHz) des Ventils als auch in der Nähe der Abtastfrequenz des AD-Wandlers zu dämpfen. Die Eckfrequenz des analogen Tiefpassfilters kann so gewählt werden, dass der Phasengang dem der zusätzlichen Totzeit des Sigma-Delta-Wandlers entspricht.

Der AD-Wandler ( Sample&Hold-AD-Wandler) läuft mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der PWM-Frequenz ist (beispielsweise 18 kHz, d.h. 6 faches Oversampling bzw.

Übertastung) .

Für den weiterhin mit der PWM-Frequenz von 3 kHz laufenden Regler PWM in Fig. 4 wird der Mittelwert mit dem SINC Software Filter aus den letzten 6 Werten des AD-Wandlers gebildet und das Signal auf 3kHz dezimiert. Das SINC Filter erweist eine optimale Dämpfung der Ansteuerfrequenz genau wie ein Sigma-Delta-Wandler .

Mit dieser Messmethode können die Vorteile eines Sig- ma-Delta-Wandlers in Bezug auf die Dynamik erreicht werden (siehe Fig. 6, welche die Sprungantwort der verschiedenen Systeme zeigt) , während die oben genannten Nachteile eines Sig ^¬ ma-Delta-Wandlers wie der vergleichsweise hohen Totzeit und eventuell auftretender Mischfrequenzen verringert bzw. ganz vermieden werden können.

Figur 4 zeigt also ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung des Stromes. Auf ein Hydraulikventil HV wird hierbei ein Strom aufgeprägt mittels Pulsweitenmodulation PWM mit einer Frequenz F_PWM. Anschließend wird in einem Schritt Sl ein an dem Hydraulikventil HV anliegender Strom abgegriffen. Dies geschieht beispielsweise mit einer dazu geeigneten Schaltung. Anschließend wird in einem Schritt S3 ein erstes gefiltertes Stromsignal mittels analoger Tiefpassfilterung des abgegriffenen Stroms ermittelt. Der hierfür eingesetzte Tiefpassfilter 20 weist eine vorgegebene Eckfrequenz auf, die derart vorgegeben ist, dass der durch die analoge Tiefpassfilterung erzeugte

Phasengang in etwas einem Phasengang entspricht der bei einer Sigma-Delta-Wandlung erzeugt wird. Die Eckfrequenz liegt beispielsweise in etwa zwischen 1000 Hz und 1500 Hz, insbesondere in etwa bei 1250 Hz.

In einem Schritt S5 wird das gefilterte Stromsignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers 30 mit Abtast-Halte-Schaltung digi ^¬ talisiert mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz F_S, die ein ganzzahliges vielfaches der Frequenz F_PWM der

Pulsweitenmodulation PWM ist, insbesondere ein Sechsfaches der Frequenz F_PWM der Pulsweitenmodulation PWM.

In einem Schritt S7 wird ein gefiltertes digitales Stromsignal mittels digitaler Mittelwertfilterung des digitalisierten Stromsignals ermittelt zur Stromregelung des Hydraulikventils HV. Hierbei wird insbesondere ein digitaler Mittelwertfilter 40 eingesetzt, wobei der digitale Mittelwertfilter 40 insbesondere eine Breite aufweist, die dem ganzzahligen vielfachen der Frequenz F_PWM der Pulsweitenmodulation PWM entspricht, ins- besondere ein sechsfaches ist der Frequenz F_PWM der

Pulsweitenmodulation PWM.

Das gefilterte digitale Stromsignal wird beispielsweise als Regelgröße für eine Regelung verwendet und mit einer vorgegebenen Führungsgröße verglichen um für die Pulsweitenmodulation PWM eine Stellgröße zu ermitteln.

Figur 5 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Ermittlung des Stromes. Die Vorrichtung 1 weist insbesondere ein Analogmodul 10 auf, das dazu ausgebildet ist den an dem Hydraulikventil HV anliegenden Strom abzugreifen .

Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren den analogen Tiefpassfilter 20 auf, der dazu ausgebildet ist das erste gefilterte Stromsignal mittels analoger Tiefpassfilterung des abgegriffenen Stroms zu ermitteln. Wobei der analoge Tiefpassfilter 20 die vorgegebene Eckfrequenz aufweist, die derart vorgegeben ist, dass der durch die analoge Tiefpassfilterung erzeugte Phasengang in etwa einem Phasengang entspricht, der bei einer Sigma-Delta-Wandlung erzeugt wird.

Die Vorrichtung 1 weist den Analog-Digital-Wandler 30 auf mit Abtast-Halte-Schaltung, der dazu ausgebildet ist, das gefilterte Stromsignal mit der vorgegebenen Abtastfrequenz F_S zu digitalisieren, die ein ganzzahliges vielfaches der Frequenz F_PWM der Pulsweitenmodulation PWM ist.

Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren den digitalen Mittel- wertfilter 40 auf, der dazu ausgebildet ist, das gefiltertes digitale Stromsignal mittels digitaler Mittelwertfilterung des digitalisierten Stromsignals zu ermitteln zum Stromregelung des Hydraulikventils HV.