Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur AnSteuerung eines Magnetventils gemäß dem Oberbegriff der unabhängig formulierten Ansprüche.

Eine solche Ansteuerung ist bekannt aus der EP 2 379 868 Bl. Hier wird eine Ansteuerung eines durch eine Spule elektromagnetisch betätigbaren und zweistufig verstellbaren und stromlos offenen Magnetventils beschrieben. Hierbei wird die Spule des Magnetventils zum Schließen des Ventils gemäß einer Sollgröße bestromt, wobei die Sollgröße von einem vorgegebenen ersten Strom-Sollwert derart auf einen vorgegebenen zweiten Strom-Sollwert abgesenkt wird, dass eine Abstrahlung hörbaren Schalls, der beim Schalten des Magnetventils entsteht, zumindest teilweise reduziert wird. In der EP 2 379 868 Bl wird das Schließen des Magnetventils durch Erfassen eines durch das Magnetventils gesteuerten Drucks detektiert. Nachdem erfasst wurde, dass das Magnetventil geschlossen hat, wird der erfasste Schließzustand durch eine geringe Erhöhung des Stroms aufrecht erhalten.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines durch eine Spule elektromagnetisch betätigbaren und zweistufig verstellbaren Magnetventils. Dabei wird die Spule des Magnetventils gemäß einer Sollgröße bestromt. Die Sollgröße wird von einem vorgegebenen ersten Strom-Sollwert derart auf einen vorgegebenen zweiten Strom-Sollwert abgesenkt wird, dass eine Abstrahlung hörbaren Schalls, der beim Schalten des Magnetventils entsteht, zumindest teilweise reduziert wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass nach der Absenkung auf den zweiten

Strom-Sollwert die Sollgröße auf einen vorgegebenen dritten Strom-Sollwert erhöht wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einerseits ein leises Schalten des Ventiles und andererseits aber auch ein sicheres Schalten des Ventiles gewährleistest wird. Falls die geräuschoptimierte Ansteuerung des Ventils nicht zum Schalten des Ventiles geführt haben sollte, wird durch die erfindungsgemäße Erhöhung des Stromwertes ein sicheres, wenn auch mit einem erhöhten Geräusch verbundenes Schalten sichergestellt (Sicherheitsschaltung).

Das Magnetventil kann durch das Verstellen zwei Schaltstufen einnehmen. Der erste Strom- Sollwert wird vorteilhafterweise derart gewählt wird, dass eine Änderung des Schaltzustands des Magnetventils eingeleitet wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte Strom-Sollwert derart gewählt wird, dass eine Änderung des Schaltzustands des Magnetventils erreicht wird. Hierdurch wird sicher erreicht, dass, falls die geräuschoptimierte Ansteuerung des Ventils nicht zum Schalten des Ventils geführt haben sollte, durch die Erhöhung des Stromwertes auf den Wert des dritten Strom-Sollwertes ein sicheres, wenn auch mit einem erhöhten Geräusch verbundenes Schalten sichergestellt ist (Sicherheitsschaltung).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erhöhung auf den vorgegebenen dritten Strom-Sollwert kontinuierlich, insbesondere rampenförmig, geschieht. Hierdurch kommt es selbst bei der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung des Ventils zu einer möglichst geräuscharmen Ansteuerung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Er- höhung auf den vorgegebenen dritten Strom-Sollwert innerhalb einer vorgegebenen

Zeitdauer geschieht. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Sicherheitsschaltung möglichst ohne Verzug zur geräuschoptimierten geplanten Ansteuerung geschieht. Hierzu sollte die Zeitdauer aber länger als die maximale Schaltzeit des Magnetventils vorgegeben sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Bestromung mit dem ersten Strom-Sollwert während einer vorgegebenen ersten Zeitdauer geschieht, wobei die erste Zeitdauer abhängig vom Widerstand der Spule vorgegeben wird. Da das Schaltverhalten des Ventils abhängig von der Zeitkonstante tau der Magnetspule ist (tau=L/R, L: Induktivität, R: Widerstand der Spule) und sich der Widerstand R der Magnetspule über der Temperatur (Umgebungstemperatur und Selbsterwärmung infolge Bestromung) verändert, wird gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung der Spulenwiderstand zyklisch gemessen und über eine Kennlinie (II über R) der Wert für II abhängig vom Spulenwiderstand ermittelt. Die Abhängigkeit der ersten Zeitdauer vom Widerstand der Spule kann fest vorgegeben werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Einstellung der Strom-Sollwerte durch eine puls- weitenmodulierte Ansteuerung geschieht. Dabei kann die pulsweitenmodulierte Ansteue- rung mit fester Frequenz und/oder das Pulsweitenverhältnis abhängig von der erfassten Versorgungsspannung und/oder des erfassten Widerstandes der Spule geschehen. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Strom-Sollwerte ohne eine Stromregelung und/oder Strommessung eingestellt werden.

Die erfindungsgemäße Ansteuerung kann zum Ein- und oder Ausschalten des Magnetventils vorgesehen sein.

In Kombination mit der in zukünftigen Steuergeräten verfügbaren„Schaltpunkterkennung" ist es möglich bei jedem Einschalt-/Ausschaltvorgang das Ergebnis zu prüfen und die Stromwerte zu optimieren. Damit kann die Kennlinie (II über R) kontinuierlich optimiert werden, um das Schaltgeräusch noch weiter zu reduzieren. Aus diesem Grund ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Verstellung des Magnetventils erfasst wird und wenigstens einer der Strom-Sollwerte abhängig von der erfassten Verstellung verändert wird.

Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug, Fig. 2 ein als Magnetventil ausgeführtes Bremsventil,

Fig. 3 einen zeitlichen Verlauf gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 5 eine Strom/Widerstandskennlinie

Fig. 6 einen zeitlichen Verlauf gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Bremskreis in einem hydraulischen bzw. elektrohydraulischen Bremssystem eines Kraftfahrzeugs, mit Radbremseinheiten am linken (L) bzw. rechten (R) Rad des Fahrzeugs. Dem Bremssystem sind zusätzlich verschiedene Bremskomponenten zugeordnet wie beispielsweise ein Hauptzylinder 4, welcher vom Fahrer betätigt wird, und ein dem Hauptzylinder 4 nachgeschaltetes, elektrisch betätigbares Umschaltventil 5. Die vom Umschaltventil 5 kommende Hydraulikleitung verzweigt in zwei Einzelleitungen zu den Radbremseinheiten, wobei in jeder dieser Leitungen jeweils ein als Einlassventil fungierendes Bremsventil 6 bzw. 7 angeordnet ist. Die Bremsventile 6 und 7 sind als elektrisch betätigbare Magnetventile ausgeführt, die sich im unbestromten Zustand in Öffnungsposition befinden. Zwischen dem Einlassventil 6 und der zugeordneten Radbremseinheit 2 kann ein Drucksensor 8 zur Ermittlung des hydraulischen Raddruckes an dieser Stelle angeordnet sein.

Über ein ebenfalls elektrisch betätigbares Hauptschaltventil 9 und eine dem Hauptschaltventil zugeordnete Förderpumpe 10 wird Hydraulikfluid aus einem Hydraulikreservoir in das Bremssystem gefördert.

In der Figur 2 ist beispielhaft ein als Bremsventil 6, 7 ausgeführtes Magnetventil dargestellt. Das Ventil umfasst einen axial verstellbaren Anker 11 mit daran angeordnetem Ventilstößel 14, wobei der Anker 11 von einer Kapsel 12 umgeben ist und von einer statorseitigen, bestrombaren Spule 13 umschlossen ist. Bei einer Bestromung der Spule 13 wird der Anker 11 einschließlich Ventilstößel 14 translatorisch in Richtung auf einen Ventilsitz 16 verstellt, über den das hydraulische Bremsfluid in Pfeilrichtung 17 bei geöffnetem Ventil hindurch strömt. Der Ventilstößel 14 ist von einem Federelement 15 in Richtung der Öffnungsstellung des Bremsventils kraftbeaufschlagt, im stromlosen Zustand befindet sich somit das Bremsventil in seiner Öffnungsstel- lung. Mit der Bestromung der Spule 13 wird der Ventilstößel 14 gegen die Kraft des Federelementes 15 auf den Ventilsitz 16 gedrückt und nimmt damit die Schließposition ein, in der die Durchströmung des Bremsventils mit Bremsfluid in Pfeilrichtung 17 unterbrochen ist.

In elektrohydraulischen Bremsregelsystemen werden also Magnetventile benutzt um hydraulische Funktionen darzustellen. Bei der Aktivierung und Deaktivierung der Ventile, kommt es, hauptsächlich bei Schaltventilen, zu Schaltgeräuschen. Eine Maßnahme zur Vermeidung dieser Geräusche besteht in einer Ansteuerung mit einer Stromrampe, welche jedoch in der Regel nur eine geringe Verbesserung bringt.

Die Figur 3 zeigt eine solche Ansteuerung eines Schaltventils mit Stromrampe. In der Figur 3 zeigt der mit 32 markierte zeitliche Verlauf den Sollwert für den Strom, der mit 33 markierte zeitliche Verlauf den Istwert des Stroms. Der mit 31 markierte zeitliche Verlauf repräsentiert quantitativ den für das Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft und Magnetkraft benötigten Strom.

Aufgrund der Änderung des Luftspaltes beim Schaltvorgang ist der Ansprechstrom (Linie 31 zu Beginn des in der Figur 3 gezeigten Zeitverlaufs) deutlich größer als der Haltestrom (Linie 31 am Ende des in der Figur 3 gezeigten Zeitverlaufs). Während sich das Ventil 6, 7 bewegt wird durch die Induktionsspannung der Strom durch die Spule 13 reduziert (Linie 33), obwohl der Sollwert (Linie 32) unverändert bleibt. Der verbleibende Unterschied zwischen dem real fließenden Strom (Linie 33) und dem für ein Kräftegleichgewicht im Ventil benötigten Strome (Linie 31) führt zu einer Beschleunigung 34 des Ventils. Die Fläche zwischen dem Verlauf 33 und dem Verlauf 31 entspricht der Beschleunigungsenergie (Block Beschleunigung 34) und definiert damit die Anschlaggeschwindigkeit (Block Anschlag 35), welche wiederrum die Höhe des Schaltgeräusches definiert.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht das geräuschlose beziehungsweise geräuschreduzierte Schalten von Magnetventilen.

Eine Randbedingung für die Ansteuerung bei den meisten Bremssystemen ist, dass keine direkte Rückmeldung bzgl. der Schaltvorgänge des Ventils vorliegen und damit keine permanente Adaption möglich ist. Trotzdem sollte die Ansteuerung derart erfolgen, dass die Ventilankergeschwindigkeit minimiert wird, auch unter Berücksichtigung von Störeinflüssen wie Fertigungstoleranzen, Alterungseffekten und Temperaturschwankungen. In einem sicherheitskritischen System ist es nicht zulässig, dass das Ventil unter ungünstigen Umständen nicht schaltet. Dies sicherzustellen ist wesentlich für die vorliegende Erfindung.

In der Figur 4 wird nun die erfindungsgemäße Ansteuerung eines Magnetventils anhand eines Ausführungsbeispiel gezeigt.

Auch in der Figur 4 zeigt der mit 32 markierte zeitliche Verlauf den Sollwert für den Strom, der mit 33 markierte zeitliche Verlauf den Istwert des Stroms. Der mit 31 markierte zeitliche Verlauf repräsentiert quantitativ den für das Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft und Magnetkraft benötigten Strom.

Durch die Absenkung des Stromes von II auf 12 innerhalb der„Flugphase" des Ventils, kann die Beschleunigung 35 (Bereich zwischen dem Verlauf 33 und 31, Verlauf 33 ist oberhalb des Verlaufs 31) reduziert und sogar eine Verzögerung 36 (Bereich zwischen dem Verlauf 31 und 33, Verlauf 33 ist unterhalb des Verlaufs 31) des in Bewegung befindlichen Ankers erreicht werden. Dadurch wird die Auftreffgeschwindigkeit auf den Anschlag 35 drastisch reduziert, was in Folge eine deutliche Geräuschreduzierung bis hin zum lautlosen Schalten ermöglicht.

Die hierbei gestellten Stromwerte II, 12 und 13 sind nur theoretische Werte bei der internen Berechnung. Tatsächlich wird für die Zeit Tl ein festes P WM-Verhältnis (Verhältnis zwischen Strompulsdauer und Pulspause) ausgegeben und anschließend auf ein zweites (12) und drittes PWM-Verhältnis (13) gewechselt. Das PWM-Verhältnis wird jeweils aus dem gemessenen Spulenwiderstand R und der ebenfalls gemessenen Bordnetzspannung berechnet.

Es wird hier die Zeit Tl, in der der Strom II eingestellt wird, für jeden Ventiltyp einmalig definiert und nicht verändert. Eine Lernroutine wird lediglich einmalig am Bandende der Fertigung des Ventils oder des Bremssystems oder Teile des Bremssystems ausgeführt und die somit ermittelten Werte (II und 12) gelten in der Regel für das gesamte Fahrzeugleben oder bis zum Tausch der Komponenten.

Da das Schaltverhalten des Ventils abhängig von der Zeitkonstante tau der Magnetspule 13 ist (tau=L/R, L ist die Induktivität der Spule) und sich der Widerstand R der Magnetspule 13 über der Temperatur (Umgebungstemperatur und Selbsterwärmung infolge der Bestromung) verändert, wird im System der Spulenwiederstand zyklisch gemessen und über eine Kennlinie 51 (Fi- gur 5, II über R) der Wert für II abhängig vom Spulenwiderstand berechnet.

Die Figur 5 zeigt die Kennlinie für II in Abhängigkeit vom Spulenwiderstand R. Mit Hilfe dieser Kennlinie kann eine geräuschoptimierte Ansteuerung an eine Veränderung des Spulenwiderstandes z.B. infolge Temperatur angepasst werden. Dadurch ist es möglich durch eine einzige initiale, z.B. am Bandende stattfindende Lernroutine das gesamte Fahrzeugleben abzudecken.

Der gelernte Stromwert für 12 wird mit einem Sicherheits-Offset belegt und bleibt dann über Temperatur und Fahrzeugleben konstant.

Das Ventil wird mit einer pulsweitenmodulierten PWM-Endstufe (ohne Stromregelung und ohne Strommessung) angesteuert, die PWM-Frequenz wird dazu fest auf 4 kHz eingestellt. Damit dennoch eine reproduzierbare Ansteuerung mit definiertem Strom möglich ist, wird das notwendige PWM- Verhältnis (Verhältnis Pulsdauer zu Pulspausendauer) auf Basis der gemessenen Bordnetzspannung und des gemessenen Spulenwiderstandes (unter Berücksichtigung der internen Verschaltung) berechnet.

Nachfolgend auf die geräuschoptimierte Ansteuerung (meist nur wenige Millisekunden) wird der Strom 13 eingestellt. Dies geschieht optional rampenförming (nicht in der Figur 4 dargestellt). Dadurch wird ein sicheres Schalten des Ventiles erzwungen (in diesem Fall verbunden mit erhöhtem Geräusch), falls die geräuschoptimierte Ansteuerung nicht zum Schalten des Ventils geführt hat.

Der Zeitabstand zum Wechsel auf 13 muss dabei länger als die maximale Schaltzeit des Ventils gewählt werden. Auf das geräuschoptimierte Schließen des Ventils hat er keinen Einfluss.

Als Erweiterung der Erfindung sei noch daraufhingewiesen, dass die Erfindung ebenso auf den Ausschaltvorgang übertragbar ist. Dies ist in der Figur 6 dargestellt.

In der Figur 6 ist der zeitliche Stromverlauf beim Ein- und Ausschalten des Magnetventils dargestellt. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 61 der bereits beschriebene Komfortpuls für das Einschalten des Ventils gezeigt. In der darauf folgenden Schalterkennung 62 (Erkennung der Einschaltvorgangs des Ventils) folgt dann der Komfortpuls zum Ausschalten des Ventils (Block 63). Im Block 64 geschieht dann wiederum die Schalterkennung des Ausschaltens. In Kombination mit der in Steuergeräten verfügbaren„Schaltpunkterkennung" ist es möglich bei jedem Einschalt-/Ausschaltvorgang das Ergebnis zu prüfen und die Stromwerte zu optimieren. Damit kann die Kennlinie (II über R) kontinuierlich optimiert werden, um das Schaltgeräusch noch weiter zu reduzieren. Desweitern kann die initiale Lernroutine entfallen.