Regelvorrichtung und -verfahren zum Regeln eines mittleren Stromes durch eine induktive Last

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zum Regeln eines mittleren Stromes durch eine induktive Last. Stellgröße ist hierbei die Versorgungsspannung, welche durch ein Stellglied gepulst wird. Messgröße ist der Momentanstrom durch die Last zu einem definierten Zeitpunkt. Solche Regelvorrichtungen kommen beispielsweise zum Einsatz, wenn die Stellung eines Magnetventils stufenlos zwischen zwei Extremwerten einge- stellt werden soll.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die mittlere Leistung eines elektrischen Verbrauchers zu steuern, indem die Versorgungsspannung zum Verbraucher gepulst wird. Durch Anpassen des Tastverhältnisses zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit kann damit die Leistungsaufnahme stufenlos zwischen 0 % und

100 % eingestellt werden. Nachteilig an dieser Art der Steuerung ist, dass bei einem störgrößenbehafteten System der tatsächlich durch den Verbraucher fließende Strom nicht bekannt ist. Als Störgröße kommt beispielsweise eine schwankende Ver- sorgungsspannung in Betracht. Weiterhin können sich die elektrischen Parameter des Verbrauchers in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen verändern, wie beispielsweise Temperatur und Alter. Dies führt dazu, dass die absolute vom Verbraucher aufgenommene Leistung nicht bekannt ist. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren anzugeben, bei welchem der durch die Last fließende Strom unabhängig von Störgrößen auf einen Sollwert geregelt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Regelvorrichtung zum Regeln eines mittleren Stromes durch eine induktive Last, bei welcher die Last durch einen Schalter mit einer Spannungsquelle verbindbar und der mittlere Strom durch das Tastverhältnis einstellbar ist, wobei das Tastverhältnis zur Ansteuerung des Schalters aus der Summe aus einem ersten Wert und einem zweiten Wert gebildet wird, wobei der erste Wert aus einer Vorsteuerung bestimmbar ist und der zweite Wert aus der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert des mitt- leren Stromes mittels einer Regelschaltung ermittelbar ist.

Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Regeln eines mittleren Stromes durch eine Last, bei welchem die Last durch einen Schalter mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und der mittlere Strom durch das Tastverhält- nis eingestellt wird, wobei das Tastverhältnis zur Ansteuerung des Schalters aus der Summe aus einem ersten und einem zweiten Wert gebildet wird, wobei der erste Wert aus einer Vorsteuerung bestimmt wird und der zweite Wert aus der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert des mittleren Stromes mit- tels einer Regelschaltung ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine schnelle und zuverlässige Regelung eines Stromes durch einen elektrischen Verbraucher realisiert werden kann, wenn das Tastverhältnis zunächst durch eine Vorsteuerung für einen gewünschten Strom- Soll-Wert vorgegeben wird und lediglich verbleibende Abweichungen des Ist-Wertes vom Soll-Wert des Stromes durch einen Regler, welcher einen Korrekturwert des Tastverhältnisses bereitstellt, korrigiert werden. Auf diese Weise können Störgrößen, wie schwankende Versorgungsspannungen, wechselnde Temperaturen und Alterung der Last ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich insbesondere für induktive Lasten, bei welchen Strom und Spannung nicht in jedem Betriebszustand gleichphasig verlaufen.

Sofern die Regelstrecke im statischen Fall annähernd Proportionalverhalten zeigt, wie beispielsweise eine induktive Last, kann die Vorsteuerung in besonders einfacher Weise als P-Glied ausgelegt werden. Der Proportionalitätsfaktor k _v des P-Glieds ist dabei der Kehrwert der statischen Streckenverstärkung:

Sofern die genaue Kennlinie der Last nicht bekannt oder schwer zu ermitteln ist, beispielsweise weil diese von vielen Parametern abhängt wie Spannung, Temperatur oder Alterung, so verbleibt nach Einstellung eines Tastverhältnisses durch die Vorsteuerung eine Abweichung zwischen dem gemessenen Ist-Wert des Stromes und dem gewünschten Soll-Wert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zur Regelung dieser Abweichungen ein Regler mit träger Dynamik ausreichend ist. Besonders bevorzugt wird ein Regler mit integraler Charakteristik (I-Regler) eingesetzt .

Die Messung des Strom-Ist-Wertes kann dabei in an sich bekannter Weise durch das Magnetfeld der Zufuhrleitung oder einen Messwiderstand und einen Differenzverstärker erfolgen. Da dem Regler nur die Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert als Sollgröße zugeführt werden soll, wird diese Different mit einem analogen oder digitalen Subtrahierer gebildet. Der Regler selbst kann entweder als analoge oder digitale Schaltung realisiert werden. Eine analoge Schaltung kann beispielsweise eine Mehrzahl von Operationsverstärkern aufweisen. Eine digi- tale Realisierung der Regelschaltung kann mittels eines Mikroprozessors oder eines MikroControllers erfolgen, welcher die entsprechende Aufgabe in Form einer Software ausführt. Die Vorsteuerung kann ebenfalls als analoge oder digitale Schaltung ausgeführt werden. Der erste Wert der Stellgröße kann dabei in der Vorsteuerung berechnet oder aus einer Tabelle ausgelesen werden. Diese Funktionalität kann beispiels-

weise mit einer numerischen Kennfeldmatrix oder einem neuronalen Netz realisiert werden.

Zur Vermeidung von überschwingern bei Soll-Wert-änderungen weist der erfindungsgemäße Regler in einer bevorzugten Ausführungsform ein Verzögerungsglied auf, welches vor der Bildung der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert den Soll-Wert verzögert. Dadurch wird vermieden, dass bei änderung des Soll-Wertes das Tastverhältnis und damit die der Last zuge- führte Leistung gleichzeitig von der Vorsteuerung und der Regelschaltung verändert wird. Da der Regelschaltung der Soll- Wert nur verzögert zugeleitet wird, regelt diese nur die Abweichungen, welche verbleiben, nachdem die Vorsteuerung den neuen Soll-Wert für das Tastverhältnis eingestellt hat.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um den ersten Wert aus der Vorsteuerung anzupassen, wenn der zweite Wert aus der Regelschaltung vorgebbare Grenzwerte über- oder unterschreitet. Dadurch kann verhindert werden, dass die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in Undefinierte Betriebszustände gerät, wenn die Regelschaltung Korrekturwerte unter 0 % und über 100 % für das Tastverhältnis ausgibt. Um die Dynamik der Regelschaltung bestmöglich auszunützen, kann darüber hinaus vorge- sehen sein, die durch die Regelschaltung bestimmten Korrekturwerte auf kleinere Werte, als die theoretisch möglichen Maximalwerte 0 % und 100 % zu beschränken. Dadurch ist sichergestellt, dass große und längerfristige Abweichungen durch die Vorsteuerung korrigiert werden und die Regelvor- richtung nur kleine Abweichungen korrigieren muss. Die Regelschaltung kann dann in ihrer Dynamik optimal auf den vorgesehenen Regelbereich abgestimmt werden.

Um die aus der Vorsteuerung ermittelten Werte bestmöglich an die tatsächliche Kennlinie der Last anzupassen, kann die Regelvorrichtung weiterhin eine Einrichtung aufweisen, welche aus der Differenz des Soll-Wertes und des durch ein Verzöge-

rungsglied verzögerten Soll-Wertes einen weiteren Korrekturwert für das Tastverhältnis bestimmt. überschreitet diese Differenz zwischen aktuellem und letztem Soll-Wert eine vorgebbare Schwelle, so wird dem Eingang der Regelschaltung ein Gegensteueranteil aufgeschaltet . Diese Maßnahme vermindert Unterschwinger auch in den Bereichen der Kennlinie, in welchen die zweite Ableitung der Kennlinie > 0 ist. Hierdurch wird sicher gestellt, dass ein erwünschter Soll-Wert des Stromes in kürzest möglicher Zeit eingestellt wird.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbespie- len ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sind in den anliegenden Figuren dargestellt.

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen RegelVorrichtung.

Figur 2 zeigt einen adaptiven Regler mit Eingangsverzögerung zur Vermeidung von überschwingern bei Soll-Wert-Anpassungen.

Figur 3 zeigt den Regler nach Figur 2, welcher um eine Gegensteuerung ergänzt wurde, um über- oder Unterschwinger bei Soll-Wert-Anpassungen zu vermeiden.

Figur 1 zeigt eine induktive Last L. Eine reale induktive Last weist stets auch einen ohmschen Widerstand auf, welcher in Figur 1 durch Rl symbolisiert wird. Eine induktive Last erzeugt beim Unterbrechen des in der Last fließenden Stromes einen Spannungspuls umgekehrter Polarität. Um zu vermeiden, dass weitere Schaltungsteile und Verbraucher im Bordnetz durch diesen Spannungspuls beschädigt werden, befindet sich in der Nähe der induktiven Last eine Löschdiode Dl . Diese dient dazu, die beim Abschalten der Spannung an der indukti- ven Last L entstehende Spannungsspitze kurzzuschließen.

Zur Messung des durch die Induktivität L fließenden Stromes dient der Messwiderstand R2. Der Spannungsabfall an R2 ist nach dem Ohm' sehen Gesetz direkt proportional zum fließenden Strom. Zur Messung des Spannungsabfalls dient der Differenz- Verstärker DA. Zur stufenlosen Einstellung des Tastverhältnisses und damit des mittleren Stromes an der Last L dient der Transistor Tl, welcher die Versorgungsspannung U ein- bzw. ausschaltet. Durch Verändern des Tastverhältnisses von 0% bis 100% kann die in der Last L umgesetzte Leistung stu- fenlos zwischen 0 und einem Maximalwert eingestellt werden.

Das Schalten der Last mit einem einzelnen Bipolartransistor Tl ist hierbei lediglich als symbolhafte Darstellung zu verstehen. Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass zum Schalten auch andere Bauelemente wie Thyristoren oder

MOS-FET oder eine Mehrzahl dieser Bauteile verwendet werden können .

Der Regelvorrichtung nach Figur 1 wird ein Soll-Wert I _So ii für den Strom vorgegeben. Dieser Sollwert wird einer Vorsteuereinrichtung VS zugeführt. Die Vorsteuereinrichtung berechnet anhand der in der Vorsteuereinrichtung VS abgelegten Kennlinie der Last L ein Tastverhältnis, mit welchem der angestrebte Soll-Strom voraussichtlich erreicht werden kann. Dieses Tastverhältnis p _v wird dem Schalter Tl zugeführt. Im einfachsten Fall geht die Vorsteuerung VS dabei von einer linearen Kennlinie mit dem Proportionalitätsfaktor k _v aus.

Während des Betriebes der Last L mit dem Taktverhältnis P _v stellt sich ein mittlerer Strom in der Zufuhrleitung der Last L ein, welcher mittels des Messwiderstandes R2 und des Differenzverstärkers DA gemessen werden kann. Dieser Messwert I _lst wird einem Subtrahierer zugeführt, welcher die Differenz d zwischen Soll-Wert und Ist-Wert des Stromes bildet. Die Ab- weichung d wird der Regelschaltung CIC zugeführt. Die Regelschaltung CIC berechnet daraus einen Korrekturwert p _r für das Tastverhältnis p _v . Der Korrekturwert p _r wird zum ursprünglich

vorgegebenen Wert p _v addiert, wobei bei negativem Korrekturwert p _r das Ergebnis der Addition auch kleiner als der Ausgangswert pv sein kann. Dieser korrigierte Wert des Tastverhältnisses wird wiederum dem Schalter Tl zugeführt. Durch fortlaufende Regelung liegt damit der gewünschte Sollwert I- s _o jj im Mittel an der Last L an.

Bevorzugt umfasst die Regelschaltung CIC einen I-Regler. Somit bestimmt sich der Ausgangswert p _r aus einem Verstärkungs- faktor k _± und dem Integral der Differenz von Soll-Wert und Ist-Wert des Stromes:

Bevorzugt, aber nicht zwingend, erfolgt die Umsetzung des erfindungsgemäßen Regelkonzeptes in einem Digitalrechner. Dies erlaubt die Implementierung der Integration mittels eines Summierers und einem Verzögerungsglied. In diesem Fall ergibt sich der Korrekturwert p _r im (n+l)-ten Schritt aus dem Kor- rekturwert p _r und der Abweichung d des n-ten Schrittes aus der Formel

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. Die induktive Last L, Rl mit Löschdiode Dl sowie die Spannungsversorgung U und der Schalter Tl sind in einem Element zusammenge- fasst, welches in Fig. 2 mit „Strecke" bezeichnet ist. An der Strecke wird mit der Messeinrichtung DA der Ist-Wert des

Stromes I _lst bestimmt. Wie bereits in Figur 1 wird die Differenz d des Ist-Wertes und des Soll-Wertes bestimmt. Allerdings wird der Soll-Wert im Verzögerungsglied DL verzögert. Im Falle einer digitalen Realisierung des Reglerkonzeptes gilt daher für die Differenz d im n-ten Rechenschritt

d(n) = I _Soll (n-\)-I _lst (n)

Das Verzögerungselement DL bewirkt, dass stets nur Soll-Wert- Abweichungen der Strecke durch die Regelschaltung CIC korrigiert werden, welche nicht auf eine änderung des Sollwertes selbst zurückgehen. Hierzu wird der Soll-Wert unverzögert auf die Vorsteuereinrichtung VS geleitet, welche hieraus mittels des Proportionalitätsfaktors k _v einen Soll-Wert p _v des Tastverhältnisses berechnet. Dieser Soll-Wert p _v wirkt unverzögert auf die Strecke. Erst wenn diese sich auf den neuen Soll-Wert eingestellt hat, wird auch dieser neue Soll-Wert mit dem gemessenen Ist-Wert verglichen und verbleibende Abweichungen werden ausgeregelt. Hierzu ist die Taktfrequenz einer digitalen Implementierung der erfindungsgemäßen Schaltung bevorzugt kleiner als die Zeitkonstante der Strecke.

Weiterhin umfasst der I-Regler der Regelschaltung CIC einen Begrenzer LI. Der Begrenzer verhindert, dass der Regler bei Erreichen der Maximalansteuerung von 0% bzw. 100% in einen Undefinierten Betriebszustand gelangt. Darüber hinaus kann der Begrenzer LI dazu verwendet werden, den Verstärkungsfaktor k _v der Vorsteuereinrichtung VS anzupassen. Hierzu werden vorgebbare Schwellen p _r ^min und p _r ^max festgelegt, innerhalb derer die Regelschaltung CIC einen Korrekturwert p _r bestimmen soll. Die Grenzwerte p _r ^min und p _r ^max können dabei an den verwen- deten Regler angepasst werden und können auch größer bzw. kleiner sein als 0 % und 100 %. Bei Erreichen des jeweiligen Maximal- bzw. Minimalwertes wird über die Anpassung des Proportionalitätsfaktors k _v ein veränderter Soll-Wert p _v von der Vorsteuerung bereit gestellt. Hierdurch verringern sich die verbleibenden Abweichungen, welche durch die Regelschaltung CIC korrigiert werden müssen.

Um ein Schwingen der Regelvorrichtung bei der Anpassung des Proportionalitätsfaktors k _v der Vorsteuereinrichtung zu ver- meiden, erfolgt die Anpassung des Proportionalitätsfaktors bevorzugt schrittweise. Weiterhin kann die Adaption ausgesetzt werden, wenn die Vorsteuereinrichtung VS einen maxima-

len bzw. minimalen Stellwert p _v ^max bzw. p _v ^min erreicht hat. Damit korreliert ist eine obere und eine untere Grenze k _v ^max und k _v ^min des Verstärkungsfaktors k _v der Vorsteuereinrichtung.

Zum stabilen Betrieb des Reglers müssen die freien Parameter k _lr k _vr p _r ^min und p _r ^max an das Verhalten der jeweiligen Last L und die Abtastzeit T _A des digitalen Reglers angepasst werden. Die Abtastzeit T _A beträgt beispielsweise etwa 1 ms bis etwa 500 ms. Um ein Schwingen der Regelschaltung CIC zu vermeiden, muss k _± kleiner als der Kehrwert der maximalen Verstärkung k _v ^max der Vorsteuereinrichtung sein:

k ^™ Um einen stabileren Betrieb zu ermöglichen, kann der Proportionalitätsfaktor des dem I-Regler vorgeschalteten Verstärkungsgliedes auch kleiner als dieser Maximalwert gewählt werden .

Die Parameter p _r ^min und p _r ^max werden so gewählt, dass für jeden Betriebszustand bezüglich der statischen Kennlinie gilt:

Wobei der Faktor k _v vom Betriebszustand, nicht aber von p abhängig ist. Dies bedeutet, dass jeder Betriebspunkt auf der Kennlinie von der Vorsteuerung VS im Zusammenwirken mit der Regelvorrichtung CIC angefahren werden kann. Eine Adaption der Kennlinie der Vorsteuerung durch Anpassung der Verstärkung k _v erfolgt im Idealfall immer dann, wenn sich die Kennlinie der Strecke durch Umwelteinflüsse und/oder durch Alterung geändert hat. Dies wird dadurch erkannt, dass das Begrenzungsglied LI der Regelschaltung den Ausgangswert p _r der Regelschaltung begrenzt. Eine besonders vorteilhafte Anpassung der Kennlinie der Vorsteuerung ergibt sich dann, wenn diese möglichst langsam ausgeführt wird, um eine Rückwirkung auf die Regelschaltung CIC zu verhindern. Beispiels-

weise kann die Anpassung etwa 0,1 % bis etwa 5 % pro Adaptionsschritt betragen.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung nach Fi- gur 2, wobei eine weitere Einrichtung GS vorhanden ist, welche dem I-Regler einen Gegensteueranteil zuführt. Der Einrichtung GS wird der Soll-Wert unverzögert sowie nach der Verzögerung durch das Verzögerungsglied DL zugeleitet. Die Gegensteuerung bildet daraus die Differenz. Sofern der SoIl- Wert unverändert bleibt, ist auch der Ausgangswert der Gegensteuerung 0.

Sofern die Differenz i _d des Verzögerten und des unverzögerten Sollwertes kleiner ist als ein vorgebbarer Schwellenwert, ist eine stabile änderung des Sollwertes auch ohne Einschreiten der Einrichtung GS möglich. Diese gibt daher keinen Korrekturwert d _add aus .

Sofern die Differenz i _d des Verzögerten und des unverzögerten Sollwertes größer ist als eine vorgebbare Grenze, erzeugt die Gegensteuerung GS einen Korrekturwert d _add für das Tastverhältnis, mit welchem die Regelstrecke angesteuert wird. Für das in der Gegensteuerung GS erzeugte Korrektursignal d _add gilt bei einer digitalen Realisierung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung die folgende Gesetzmäßigkeit: h(n) = I _Soll {n-\)-I _Soll {n)

Die freien Parameter der Einrichtung GS, k _add und i _Lr werden als Lose-Parameter bezeichnet. Die Größe dieser Parameter wird der Fachmann individuell an die Kennlinie der anzusteuernden Last L und die änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes Is _o ii anpassen. Beispielsweise kann gelten:

^- ≤i _L ≤4-^—

Die Verstärkung k _add ist bevorzugt kleiner als die Verstärkung k _∑ des dem I-Regler vorgeschalteten Verstärkungsgliedes. Ins-

besondere wird der Fachmann die Verstärkung in Abhängigkeit der Kennlinie der anzusteuernden Last L anpassen.

Die Einrichtung GS prüft demnach, ob die Differenz zwischen dem aktuellen und dem letzen Sollwert oberhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt. In diesem Fall wird dem Eingang des Integrators des I-Reglers ein Gegensteueranteil d _add zugeführt. Dadurch wird der von der Regelschaltung CIC ausgegebene Korrekturwert Pr verringert. Die Anpassung an den neuen SoIl- Wert erfolgt langsamer, jedoch werden über- bzw. Unterschwinger vermindert oder sogar vollständig vermieden.

Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die in Figur 3 dargestellte Realisierung der Einrichtung GS nur bei- spielhaften Charakter aufweist. Bei Anpassung des Verstärkungsfaktors k _add kann der Korrekturwert d _add auch vor dem Verstärkungsglied k _∑ zum Differenzsignal d addiert werden, wenn die Verstärkungsfaktoren anderer Schaltungsteile entsprechend angepasst werden.