DE102008015619B4

DE102008015619B4 - Stromansteuerschaltung und Verfahren

Info

Publication number: DE102008015619B4
Application number: DE102008015619.1A
Authority: DE
Inventors: Kyle Shawn Williams; Joseph Funyak
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: US7872845B2; US20080238391A1; DE102008015619A1

Abstract

Regelsystem, das aufweist: eine Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts der Last, einer gemessenen Lastkenngröße und einer Versorgungsspannung der Last anzusteuern und unter Berücksichtigung der Lastkenngröße, des Sollwerts und der gemessenen Versorgungsspannung ein Tastverhältnis zu bestimmen, und wobei die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, die Last basierend auf dem Tastverhältnis anzusteuern, unter Berücksichtigung der Lastkenngröße einen Durchschnittslaststrom zu berechnen, sowie das Tastverhältnis durch die folgenden Schritte zu bestimmen: Summieren des Sollwerts mit einem Dither-Signal, Subtrahieren des Ergebnisses hiervon von dem Durchschnittslaststrom, Einstellen des Ergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms, um ein Stromcontroller-Ausgangssignal bereitzustellen, und Vergleichen des Stromcontroller-Ausgangssignals mit einem Rampensignal, das mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang steht, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitstellt, das das Tastverhältnis aufweist, das proportional zu dem Sollwert und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
In vielen Aspekten der heutigen, sich rasch ändernden Wirtschaft müssen erfolgreiche Unternehmen Qualitätsprodukte ausliefern und den Nutzen für Ihre Kunden maximieren, um fortzubestehen. Diese einfache Realität gilt noch immer, selbst im Bereich elektronischer High-Tech-Regelungen.
Zwei Arten, auf welche Anbieter von Regelungssystemen Nutzen bringen, sind die Bereitstellung genauerer Regelungslösungen und die Bereitstellung schnellerer Controller. Folglich besteht in der Elektronikindustrie ein Bedarf ein Regelungssystem bereitzustellen, das eine Last schneller und genauer ansteuern kann.
Die Publikation DE 43 10 859 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Positionierung einer Drosselkappe eines Fahrzeugs, wobei ein analoger Lageregler die Position der Drosselkappe regelt und das dem Lageregler zugeführte Sollwertsignal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.
Die Publikation DE 198 17 891 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals für einen Gleichstrom-Aktuator.
Die Publikation DE 38 28 816 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers.
Schließlich beschreibt die Publikation DE 36 09 731 A1 ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Schaltreglers sowie eine dazu geeignete Anordnung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die folgenden Ausführungen repräsentieren eine vereinfachte Zusammenfassung der Erfindung, um ein grundsätzliches Verständnis einiger Aspekte der Erfindung zu ermöglichen. Diese Zusammenfassung ist keine ausführliche Übersicht über die Erfindung, und es ist weder beabsichtigt Schlüsselelemente oder kritische Elemente der Erfindung anzugeben, noch den Umfang der Erfindung zu beschränken. Vielmehr besteht der Zweck der Zusammenfassung darin, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als eine Einführung für die detaillierte Beschreibung, die später folgt, darzustellen.
Bei einer Ausführungsform weist ein Regelsystem eine Steuerschaltung auf, die dazu ausgelegt ist, eine Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts der Last, einer gemessenen Lastkenngröße und einer Versorgungsspannung der Last anzusteuern. Die Steuerschaltung ist auch dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung der Lastkenngröße, des Sollwerts und der gemessenen Versorgungsspannung ein Tastverhältnis zu bestimmen. Die Steuerschaltung ist weiterhin dazu ausgelegt, die Last basierend auf dem Tastverhältnis anzusteuern, unter Berücksichtigung der Lastkenngröße einen Durchschnittslaststrom zu berechnen, sowie das Tastverhältnis durch die folgenden Schritte zu bestimmen: Summieren des Sollwerts mit einem Dither-Signal, Subtrahieren des Ergebnisses hiervon von dem Durchschnittslaststrom, Einstellen des Ergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms, um ein Stromcontroller-Ausgangssignal bereitzustellen, und Vergleichen des Stromcontroller-Ausgangssignals mit einem Rampensignal, das mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang steht, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitstellt, das das Tastverhältnis aufweist, das proportional zu dem Sollwert und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung ist.
Die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen zeigen zur Veranschaulichung dienende Aspekte und Ausführungen der Erfindung. Diese zeigen jedoch lediglich wenige der unterschiedlichen Möglichkeiten auf, wie die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Blockdiagramm eines Regelsystems zum Ansteuern einer Last;
2A und 2B sind Signalformen des Spulenausgangsstroms bzw. der Versorgungsspannung des Regelsystems der 1, die das Ausgangsansprechverhalten auf die Ansteuerung der Last während eines scharf zunehmenden Versorgungsspannungsübergangs darstellen;
2C und 2D sind Signalformen des Spulenausgangsstroms bzw. der Versorgungsspannung des Regelsystems der 1, die das Ausgangsansprechverhalten auf die Ansteuerung der Last während eines scharf abnehmenden Versorgungsspannungsübergangs darstellen;
2E veranschaulicht mehrere Regelsystemsignalformen und eine Versorgungsspannungssignalform des Regelsystems der 1, die die Regelansprechverhalten auf die Ansteuerung der Last während eines scharf zunehmenden Versorgungsspannungsübergangs darstellen;
3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Steuerschaltung zum Ansteuern einer Last gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Regelsystems zum Ansteuern einer Last gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung;
5A und 5B sind Signalformen des Spulenausgangsstroms bzw. der Versorgungsspannung der Steuerschaltungen der 3 und 4, die das verbesserte Ausgangsansprechverhalten auf die Ansteuerung der Last während eines scharf zunehmenden Versorgungsspannungsübergangs darstellen;
5C und 5D sind Signalformen des Spulenausgangsstroms bzw. der Versorgungsspannung der Steuerschaltungen der 3 und 4, die das verbesserte Ausgangsansprechverhalten auf die Ansteuerung der Last während eines scharf abnehmenden Versorgungsspannungsübergangs darstellen;
5E veranschaulicht mehrere Regelsystemsignalformen und eine Versorgungsspannungssignalform der Steuerschaltungen der 3 und 4, wobei die Regelantwort auf die Ansteuerung der Last während eines scharf zunehmenden Versorgungsspannungsübergangs dargestellt ist;
6 ist eine idealisierte Laststrom-Ausgangssignalform der Regelsysteme der 3 und 4 während des Ansteuerns der Last ohne Verwendung eines Dither-Signals;
7 ist eine idealisierte Laststrom-Ausgangssignalform der Regelsysteme der 3 und 4 während des Ansteuerns der Last unter Verwendung eines Dither-Signals, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung der Last zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist;
8 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern einer Last gemäß einer Ausführungsform; und
9–11 sind Flußdiagramme anderer Ausführungsformen des Verfahrens der 8 zum Ansteuern der Last.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben, in denen gleich nummerierte Elemente gleiche Teile repräsentieren. Die Figuren und die zugehörige Beschreibung der Figuren dienen zur Veranschaulichung und begrenzen nicht in irgendeiner Weise den Umfang der Ansprüche.
1 veranschaulicht ein Spulen-Regelsystem 10 zum Ansteuern einer Last. Das Regelsystem 10 weist eine kompensierende Schaltsteuerschaltung 100 und eine externe Ansteuerschaltung 160 auf. Regelsystem 10 schaltet eine Spulenlast 166 EIN und AUS, um unter Berücksichtigung eines gewünschten Stromsollwerts einen Durchschnittsstrom in der Last 166 bereitzustellen. Steuerschaltung 100 mißt einen Laststrom der Spulenlast 166 an einem differenziellen Eingang 106 mittels eines Spannungsabfalls an dem Shuntwiderstand 164, der in Reihe zu der Last 166 geschaltet ist, unter Berücksichtigung eines Stromsollwerts 135 für die Last 166. Die Steuerschaltung 100 berechnet einen Durchschnittslaststrom und bestimmt unter Berücksichtigung des berechneten Mittelwerts einen Durchschnittsstromfehlerwert. Die Steuerschaltung 100 steuert die Last 166 basierend auf dem korrigierten Sollwert auch an, wenn die Last betriebsbereit an einen Ausgang 108 hiervon angeschlossen ist.
Unter Verwendung des Verstärkers 116 und des Analog/Digital-Umsetzers (A/D) 118 nimmt die Steuerschaltung 100 den Laststrom von dem Eingang 106 auf und mißt diesen, um eine Digitalwort-Messung (l_wd) 110 des Laststroms zu erzeugen. Diese Laststrommessung l_wd 110 wird dann über einen oder mehrere Schaltzyklen gemittelt 130. Dann wird ein Dither-Signal 133 aus einem Dither-Generator 132 mit dem Stromsollwert 135 summiert, wodurch ein Ergebnis 138 bereitgestellt wird, das dann von dem berechneten Durchschnittslaststrom 131 subtrahiert wird, um ein Stromfehlerergebnis 141 bereitzustellen. Das Stromfehlerergebnis 141 wird in einem digitalen Controller 144 verarbeitet, um die Ansprechkenngrößen der Steuerschaltung anzupassen, der ein Controller-Ausgangsdigitalwortsignal Control out-Signal 145 liefert. Ein PWM-Erzeugungsblock 150 empfängt das Control_out-Signal 145, das dann durch ein Taktsignal 151 moduliert wird, um ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal PWM_out 112 bereitzustellen. In dieser Schaltung wird das Tastverhältnis des Ausgangssignals PWM-out 112 bereitgestellt, das proportional zu dem digitalen Controller-Ausgangssignal Control_out 145 ist. Das Ausgangssignal PWM_out 112 wird einem Gate-Treiber 124 zugeführt, der dieses Ausgangssignal an dem Ausgang 108 der Steuerschaltung 100 puffert und ansteuert.
Die externe Ansteuerschaltung 160 schließt einen Shuntwiderstand 164, der zu der Last 166 in Reihe geschaltet ist, die durch einen Ansteuertransistor 170 angesteuert wird, der auch über den Widerstand 172 durch den Ansteuerausgang 108 der Steuerschaltung 100 angesteuert wird, ein. Die externe Ansteuerschaltung 160 erhält eine Versorgungsleistung zwischen der Versorgungsspannung VBAT 162 und der Massespannung Vgnd 163. Die externe Ansteuerschaltung weist außerdem eine Klemmdiode 174, um Rück-EMF zu begrenzen, und einen Filterkondensator 176, um das Schalten zu glätten, auf. Das Regelsystem 10 kann einen an die Last 206 gelieferten Strom verarbeiten durch selektives Vergrößern oder Verkleinern des Stroms um die Last mit einem Strom anzusteuern, der grundsätzlich als ein Mittelwert durchSchalten der Last aufrechterhalten wird bei einer Frequenz, die das Taktsignal 151 berücksichtigt.
2A ist die Spulenausgangsstrom-Ansprechsignalform 210 des Regelsystems 10 der 1 beim Ansteuern der Last 166 während eines scharf zunehmenden Versorgungsspannungsübergangs, wie zum Beispiel des der Signalform 202 der 2D.
2C ist die Spulenausgangsstrom-Ansprechsignalform 210 des Regelsystems 10 der 1 beim Ansteuern der Last 166 während eines scharf abnehmenden Versorgungsspannungsübergangs, wie zum Beispiel des der Signalform 212 der 2D.
2A und 2C veranschaulichen ein wesentliches Überschwingen des Spulen-Ansteuerstroms (Isolenoid) 200 und 210 als Folge des plötzlichen Übergangs der Versorgungsspannung VBAT 202 bzw. 212. Tatsächlich nimmt in 2A der Spulenstrom während des Übergangs der Spannungsversorgung VBAT 202 gemäß 2B von etwa 1 Ampere auf etwa 1,5 Ampere zu und benötigt etwa 45–50 ms, um wieder einen einigermaßen stabilen Zustand von etwa 1 Ampere zu erreichen. Ähnlich fällt in 2C der Spulenstrom Isolenoid 210 während des Übergangs der Spannung der Spannungsversorgung VBAT 212 gemäß 2D von etwa 1 Ampere auf etwa 0,7 Ampere ab und benötigt wieder etwa 45 bis 50 ms, um einen einigermaßen stabilen Zustand von etwa 1 Ampere zu erreichen. Somit stellt die Steuerschaltung der 1 letztendlich den Spulenstrom auf den gewünschten Stromsollwert ein, aber die Steuerschaltung 10 der 1 reagiert möglicherweise jedoch nicht schnell genug, um den erwarteten Versorgungsspannungstransienten bestimmter Anwendungen Rechnung zu tragen.
2E veranschaulicht mehrere Regelsystemsignalformen 220 und eine Versorgungsspannungssignalform VBAT 162 des Regelsystems der 1, wobei das Steueransprechverhalten auf das Ansteuern der Last (z. B. der Spule 166) während eines scharf zunehmenden Übergangs der Versorgungsspannung VBAT 162 dargestellt ist.
Zum Beispiel geht VBAT 162 zum Zeitpunkt t0 von einer niedrigeren Versorgungsspannung 162a zu einer höheren Versorgungsspannung 162b über. Vor dem Zeitpunkt t0 wird angenommen, daß Control_out 145 sich in einem einigermaßen stabilen Zustand befindet, wobei der Durchschnittsausgangsstrom (z. B. 131) etwa mit dem Sollwertstrom (z. B. 135) übereinstimmt, so daß das Signal Control_out 145 stabil ist. Das Signal 240 der 2E ist das Ausgangssignal eines Zählers in dem PWM-Erzeugungsblock 150, der durch ein Taktsignal, das auf dem Taktsignal 151 beruht, zurückgesetzt wird, um die PWM-Zeitbasis festzulegen. Das interne PWM-Signal 240 kann ein Rampensignal sein, das verwendet wird, um das Signal Control_out 145 zu modulieren, um PWM-out 112 zu erzeugen, wie dies durch den PWM-Erzeugungsblock 150 der 1 hergestellt wird. In der beispielhaften Steuerschaltung gemäß 1 werden das Signal Control_out 145 und das Rampensignal 240 verglichen, um PWM-out 112 zu bilden, das eine Periode (c) und ein Tastverhältnis aufweist, das eine EIN-Zeit (a) und eine AUS-Zeit (b) aufweist. Somit weist das Tastverhältnis ein Verhältnis der EIN-Zeit (a) bezogen auf die AUS-Zeit (b) auf, das dargestellt werden kann als:
Außerdem weist in der beispielhaften Steuerschaltung 100 der 1 das Rampensignal 240 eine Konstante oder festgelegte Steigung (ϕ) und eine festgelegte Amplitude (A) auf. Zum Zeitpunkt t0 geht die Versorgungsspannung VBAT 162 von der niedrigeren Versorgungsspannung VBAT 162a zu einer höheren Versorgungsspannung VBAT 162b über. Nach dem Zeitpunkt t0 beginnt das Signal Control_out 145 langsam abzunehmen, während der zunehmende Durchschnittsstrom 131 in der Last gemessen und gemittelt wird und die Differenz bezogen auf den Stromsollwert 135 zunimmt. Während das Signal Control_out 145 abnimmt, nimmt die EIN-Zeit (z. B. a1, a2, a3) auch allmählich bezogen auf die AUS-Zeit (z. B. b1, b2, b3) ab. Diese abnehmende EIN-Zeit des Tastverhältnisses bewirkt letztendlich, daß der Strom in der Spule abnimmt bis der Durchschnittslaststrom 131 mit der neuen höheren Versorgungsspannung VBAT 162b wieder gleich dem Sollwertstrom 135 ist. Wie in 2A und 2C dargestellt, kann dieser Stabilisierungspunkt jedoch 45–50 ms Verzögerung in der Ansprechzeit erfordern.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, daß solche Versorgungsspannungs-Ansprechverzögerungen überwunden werden können durch Hinzufügen einer Last-Versorgungsspannungs-Kompensationsschaltung, um drastisch die Ausgangsansprechgeschwindigkeit während schneller Versorgungsspannungsübergänge zu vergrößern. Insbesondere weist die vorliegende Erfindung eine Spannungsversorgungs-Meßschaltung und einen innovativen Schaltungsblock zur PWM-Erzeugung auf, der ein Tastverhältnis erzeugt, das nicht nur proportional zu dem Durchschnittslaststrom ist, sondern auch umgekehrt proportional zu der Spulen-Versorgungsspannung ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Spulen-Versorgungsspannung durch einen Analog/Digital-Umsetzer in ein digitales Wort umgesetzt. Die digitale Darstellung der Spulen-Versorgungsspannung ist ein Eingangssignal für den PWM-Erzeugungsblock. Eine Zunahme der Spulen-Versorgungsspannung führt dann zu einer proportionalen Abnahme des Tastverhältnisses. Bei vorhandenen Lösungen würde das Tastverhältnis in der Regel durch die Steuerschaltung korrigiert werden, was zu einer unvermeidbaren transienten Störung in dem Durchschnittsausgangsstrom für die Last führt.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Steuerschaltung 300 zum Ansteuern einer Last mit einem konstanten Strom gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die Steuerschaltung 300 weist einen Controller 302 auf, der dazu ausgelegt ist, einen Laststrom l_wd 310 einer (nicht dargestellten) Last an einem Eingang 306 (z. B. den differenziellen Eingängen RPx 306a und RNx 306b) hiervon und eine Lastspannung V_wd 311 der last an einem Eingang Vx 314 hiervon zu messen und weiterhin dazu ausgelegt ist, die Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts 315 der Last anzusteuern. Die Steuerschaltung 300 weist weiterhin eine Korrekturschaltung 304 auf, die dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des gemessenen Laststroms l_wd 310, des Sollwerts 315 und der gemessenen Lastspannung V_wd 311 ein Tastverhältnis 312 zu bestimmen. Der Controller ist außerdem dazu ausgelegt, die Last basierend auf dem durch die Korrekturschaltung 304 bestimmten Tastverhältnis 312 anzusteuern, wenn die Last betriebsbereit an einen Ausgang 308 hiervon angeschlossen ist.
Bei einer Ausführungsform weist die Steuerschaltung oder der Stromcontroller 300 eine kompensierte Schalt-Steuerschaltung auf, wie zum Beispiel eine Zustandsmaschine, einen Mikrocontroller oder eine andere solche angepaßte integrierte Schaltung. Die Steuerschaltung 300 weist einen Controller 302 auf, der dazu ausgelegt ist, einen Laststrom l_wd 310 (z. B. mittels eines gemessenen Laststroms, einer Spannung, eines Magnetfelds, einer Lichtenergie oder einer Leistung) einer Last (bei anderen Ausführungsformen: einer Spule, eines Motors, einer Lampe, einer induktiven Last), der an einem Eingang 306 (z. B. differenzielle Eingänge RPx 306a und RNx 306b) hiervon gemessen wird, und eine Lastspannung V_wd 311 der Last an einem Eingang Vx 314 hiervon digital zu messen, und weiterhin die Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts 315 (bei anderen Ausführungsformen: eines Laststrom-Sollwerts, eines Spannungs-Sollwerts, eines Magnetfeld-Sollwerts, eines Lichtenergie-Sollwerts oder eines Leistungs-Sollwerts) der Last ansteuern kann.
Die Steuerschaltung 300 der vorliegenden Ausführungsform besitzt außerdem eine Korrekturschaltung 304, die unter Verwendung des gemessenen Laststroms l_wd 310 über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen (bei anderen Ausführungsformen: Lastschaltzyklen, Taktzyklen oder Zyklen einer anderen Signalzeitbasisquelle) einen Durchschnittslaststrom berechnen kann. Die Korrekturschaltung 304 der Ausführungsform ist außerdem dazu ausgelegt, den berechneten Durchschnittslaststrom mit dem Stromsollwert 315 (bei anderen Ausführungsformen: einem vorbestimmten Anfangs-Sollwert, einer vom Benutzer angegebenen Einstellung, einer programmierten Einstellung) und einem Dither-Signal (bei anderen Ausführungsformen: einem Signal zum Bewirken einer im Wesentlichen kontinuierlichen Bewegung der Spule zur Vermeidung der Auswirkungen von „Hägenbleiben” oder zur Überwindung statischer Reibung) zu kombinieren und unter Berücksichtigung des berechneten Durchschnittslaststroms bezogen auf den Sollwert 315 einen Fehler zu bestimmen. Die Korrekturschaltung 304 ist weiterhin dazu ausgelegt, ein Tastverhältnis PWM_out 312 (z. B. ein pulsweitenmoduliertes(PWM-)Signal, das ein EIN- und AUS-Zeitverhältnis zum Schalten der Last repräsentiert) durch Modulieren (bei anderen Ausführungsformen: Mischen, Vergleichen oder Berechnen der Differenz zwischen zwei Signalen oder Werten) des Stromcontrollerausgangssignal 345 mit der gemessenen Versorgungsspannung V_wd 311 zu bestimmen. Der Controller 302 ist außerdem dazu ausgelegt, die Last basierend auf dem durch die Korrekturschaltung 304 bestimmten Tastverhältnis PWM_out 312 anzusteuern, wenn die Last betriebsbereit an einen Ausgang 308 hiervon angeschlossen ist.
4 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Regelsystems 400 zum Ansteuern einer Last gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel weist das Regelsystem 400 ein kompensiertes Spulen-Regelsystem 400 auf, das geeignet ist, eine Kraftfahrzeug-Getriebespule 366 mit einem im Wesentlichen konstanten Strom anzusteuern, und ermöglicht Lastspannungskompensation für das Ausgangstastverhältnis, wodurch ein schnelles Ansprechen auf Versorgungsspannungstransienten ermöglicht wird.
Das Regelsystem 400 weist einen Controller 302, eine Korrekturschaltung 304 und eine externe Ansteuerschaltung 360 auf, die einen Shuntwiderstand 364 und eine Last 366 einschließt, die durch einen über den Reihenwiderstand 372 von dem Ansteuerausgangssignal Gx 308 des Controllers 302 angesteuerten MOS-Ansteuertransistor 370 angesteuert werden. Die externe Ansteuerschaltung 360 erhält Versorgungsleistung zwischen der Versorgungsspannung VBAT 362 und der Massespannung Vgnd 363.
Das Regelsystem 400 der Ausführungsform kann bei einer Ausführungsform einen an die Last 366 (bei anderen Ausführungsformen: einer Spule, ein Motor, eine Lampe oder eine induktive Last) abgelieferten Strom durch selektives Vergrößern oder Verkleinern des Durchschnittstastverhältnisses, mit dem die Last durch Schalten angesteuert wird, so handhaben, daß durch pulsweitenmoduliertes(PWM-)Schalten der Last gemäß einem voreingestellten, programmierten oder anderweitig eingegebenen Stromsollwert 315 ein konstanter Durchschnittsstrom aufrechterhalten wird. Das PWM-Signal kann unter Verwendung eines Taktsignalinputs bereitgestellt werden, während die Frequenz des PWM-Signals durch die konkreten Lastkenngrößen, die verwendete Versorgungsspannung und andere solche gewählten Variablen bestimmt werden kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform der 4 besitzt der Controller 302 zwei differenzielle Eingänge 306a, 306b, die einen Spannungsabfall an dem Shuntwiderstand 364 proportional zu dem Laststrom durch die Last 366 messen. Ein Halleffekt-Sensor kann ebenfalls an dem Eingang 306 verwendet werden, wobei ein Magnetfeld mit dem Strom in der Last 366 in Zusammenhang steht, und eine zu dem Magnetfeld proportionale Spannung als der Laststromeingang bereitgestellt wird. Mit zunehmendem Strom durch den Shuntwiderstand 364 oder beispielsweise Halleffekt-Sensor nimmt somit die Shuntwiderstand- oder Sensorspannung in der Regel proportional zu. Während der Strom durch den Sensor abnimmt, nimmt auf ähnlichle Weise die Sensorspannung in der Regel proportional ab, obwohl auch andere Konventionen verwendet werden könnten.
Nachdem der Shuntwiderstand 364 die gemessene Spannung bereitstellt, wird die (den Laststrom repräsentierende) gemessene Spannung zu den beiden differenziellen Eingängen 306a, 306b des Controllers 302 geleitet, wovon eine Ausführungsform nun ausführlicher erörtert wird.
Der Differenzialverstärker 316 misst zum Beispiel die Differenzspannung an 306a, 306b oder eine andere solche Lastkenngröße (bei anderen Ausführungsformen: einen Laststrom, eine Spannung, ein Magnetfeld, eine Lichtenergie oder eine Leistung), die die Last anzeigt, die bei 317 zu einem Analog/Digital-Umsetzer A/D 318 übermittelt wird, der aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist. Der A/D 318 führt einem digitalen Mittelungs-Funktionsblock 330 in der Korrekturschaltung 304 eine digitale Messung des Laststroms l_wd 310 oder einer anderen solchen Lastkenngröße zu. Der Mittelungs-Funktionsblock 330 kann zum Beispiel einen berechneten Durchschnittslaststrom 331 über einen oder mehrere Lastschaltzyklen, wie zum Beispiel PWM-Schaltzyklen, PWM-Tastverhältnisperioden „c” oder Zyklen des Taktsignals 351 bereitstellen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform gemäß 4 wird dann ein gewünschter Sollwert 315 (z. B. bei einer Ausführungsform mit einer digitalen Darstellung des gewünschten Stromsollwerts) des Durchschnittslaststroms in einem digitalen Summierer 336 mit einem Dither-Signal 333 summiert, das von einem Dither-Generator 332 bereitgestellt wird, um ein Summierungsergebnis 338 hiervon zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform liefert der Dither-Generator 332 ein periodisches Signal 333, das ein Dreiecksignal von ungefähr 150 bis 200 Hz ist, das der Frequenz entspricht, mit der die Last um einen anfänglichen, durch den Stromsollwert 315 festgelegten Sollwert herum oszilliert. Bei einer Ausführungsform, bei der die Last 366 eine Spule einschließt, liefert der Dither-Block 332 zum Beispiel ein periodisches Signal, das dem Durchschnittsstrom 331 überlagert wird, um den Spulenanker hin- und herzubewegen, um statische Reibung (Haftreibung) zu vermeiden.
Der berechnete Durchschnittslaststrom 331 wird dann bei der Ausführungsform gemäß 4 durch einen digitalen Subtrahierer 340 von dem Summierungsergebnis 338 subtrahiert, um ein Stromfehlersignal oder Ergebnis 341 bereitzustellen. Das Stromfehlersignal 341 gibt effektiv den Unterschied zwischen dem gewünschten Sollwertstrom 315 und dem berechneten Durchschnittslaststrom 331 wieder. Da das Dither-Signal nur eine Wechselstromkomponente und keine Gleichstromkomponente zu dem Summierungsergebnis 338 oder zu dem Stromfehlersignal 341 addiert, wirkt sich das Dither-Signal 333 nicht auf den von der Last 366 „gesehenen” Gesamtdurchschnittsausgangsstrom aus, wenn über eine oder mehrere Perioden des Dither-Signals 333 gemittelt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der 4 wird das Stromfehlersignal 341 dann mit einem PID-Regler (Proportional-Integral-Differential) 344 verarbeitet, der die Ansprechkenngrößen der Steuerschaltung 300 einstellt oder anderweitig maßschneidet. Zum Beispiel können Koeffizienten der Proportional-, Integral- und Differentialparameter, die das Verhalten der Regelschleife wiedergeben, in dem Chip der Steuerschaltung 300 voreingestellt oder vorprogrammiert werden, um ein Gleichgewicht stabiler Ansprechkenngrößen über den erwarteten Bereich der Last, Modussteuerung und Versorgungsspannungsbedingungen der beabsichtigten Anwendung bereitzustellen. Der PID-Regler 344 verarbeitet somit das Stromfehlersignal 341, um ein Steuerungsausgangssignal Control_out 345 bereitzustellen. Ein PWM-Erzeugungsblock 350 empfängt das Signal Control_out 345 und ein Taktsignal 351 als eine Zeitbasis und moduliert das Signal Control_out 345 mit der gemessenen Lastspannung V_wd 311, um ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal PWM_out 312 bereitzustellen. Die Lastspannung VBAT 362 wird an Vx 314 empfangen und aus einer Analogspannung in ein digitales Wort umgesetzt, das die gemessene Lastspannung V_wd 311 repräsentiert.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch erkannt, daß bei einer anderen Ausführungsform die an Vx 314 empfangene Lastspannung VBAT 362 vor dem Eingang in Vx 314, zum Beispiel durch Verwendung einer externen Filterkapazität, oder nach Vx 314, zum Beispiel durch Verwendung eines zusätzlichen Tiefpaßfilterelements zwischen Vx 314 und dem A/D-Umsetzer 120, weiter gefiltert werden kann.
In der Steuerschaltung 300 ist das Tastverhältnis (z. B. prozentuale EIN-Zeit) des Ausgangssignals PWM_out 312 proportional zu dem Laststrom (z. B. dem Laststrom-Sollwert 315) und umgekehrt proportional zu der Lastspannung (z. B. V_wd 311).
Das Tastverhältnis kann somit dargestellt werden als:
Im Gegensatz zu der Schaltung gemäß 1 und bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß 4 ermöglicht die Addition und Verwendung der in den PWM-Erzeugungsblock 350 eingegebenen Lastspannung V_wd 311 eine optimale Einstellung der Koeffizienten des PID-Reglers 344 unabhängig von dem Wert der Versorgungsspannung. Die Schaltung der 1 erfordert entweder eine kompromissbehaftete Einstellung der Koeffizienten, um akzeptable Leistungsfähigkeit über den Betriebsbereich der Versorgungsspannung hinweg zu erzeugen, oder ein Mittel zum Einstellen der Koeffizienten abhängig von dem gemessenen Wert der Versorgungsspannung. Die Schaltung der 4 beseitigt gemäß der vorliegenden Erfindung die Abhängigkeit des dynamischen Ansprechverhaltens der geschlossenen Regelschleife von der Versorgungsspannung.
Danach wird das Ausgangssignal PWM_out 312 einem Gate-Treiber 324 zugeführt, der dieses Ausgangssignal an dem Ausgang 308 der Steuerschaltung 300 puffert und ansteuert.
Bei einer Ausführungsform des Controllers 302 kann das Ansteuersignal PWM_out 312 zu dem Gate-Treiber 324 zum Beispiel verzögert oder anderweitig mit den Eingangssignalen in Beziehung gesetzt werden, die durch den PWM-Funktionsblock 350 oder durch eine andere bei einer Ausführungsform in dem PWM-Funktionsblock 350 enthaltene Zustandsmaschine empfangen werden. Der Gate-Treiber oder ein anderer solcher Ausgangstreiber 324 kann das Signal verstärken oder anderweitig aufbereiten, um das Ansteuersignal bei 308 einem Feldeffekttransistor FET 370 zuzuführen. Bei einer Ausführungsform kann der Ausgangstreiber 324 ein unsymmetrischer oder ein differenzieller Treiber sein, der zum Beispiel einen oder mehrere externe oder interne Ansteuertransistoren ansteuern kann.
Die externe Ansteuerschaltung 360 weist einen Shuntwiderstand 364 auf, der zu der Last 366 (z. B. Spule) in Reihe geschaltet ist, die durch einen Ansteuertransistor 370 angesteuert wird, der auch über den Widerstand 372 aus dem Ansteuerausgang 308 der Steuerschaltung 300 angesteuert wird. Die externe Ansteuerschaltung 360 empfängt Versorgungsleistung zwischen der Versorgungsspannung VBAT 362 und der Massespannung Vgnd 363. Die externe Ansteuerschaltung 360 weist außerdem eine Klemmdiode 374, um Rück-EMF zu begrenzen, und einen Tiefpaß-Filterkondensator 376 auf, um das Schalten zu glätten. Das Regelsystem 400 kann somit einen an die Last 366 bereitgestellten Strom durch selektives Vergrößern oder Verkleinern des Durchschnittstastverhältnisses handhaben, bei dem die Last durch Schalten angesteuert wird, derart, daß durch pulsweitenmoduliertes(PWM-)Schalten der Last gemäß einem voreingestellten, programmierten oder anderweitig eingegebenen Stromsollwert 315 ein konstanter Durchschnittsstrom aufrechterhalten wird. Das PWM-Signal kann unter Verwendung eines Taktsignaleingangs 351 bereitgestellt werden, während die Frequenz des PWM-Signals durch die besonderen Lastkenngrößen, die verwendete Versorgungsspannung und andere solche gewählten Variablen bestimmt oder vorbestimmt werden kann.
Somit kann die vorliegende Ausführungsform der Erfindung zum Regeln des Durchschnittslaststroms einer Last, zum Beispiel eines Laststroms einer Spule, verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform der Korrekturschaltung 304 kann eine synchrone serielle Peripherieschnittstelle oder eine andere solche Schnittstelle verwendet werden, um beispielsweise die Anfangseinstellungen für die erforderlichen Laststrom-Sollwerte 315 (bei einer Ausführungsform: einen Laststrom von 500 mA), die Amplitude des Dither-Signals 333 (bei einer Ausführungsform: 150 mA P-P), die Dither-Frequenz (bei einer Ausführungsform: 175 Hz), die Frequenz des PWM-Taktsignals 351 (bei einer Ausführungsform: 1–2 kHz) bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform der Korrekturschaltung 304 können der digitale Summiererfunktionsblock 336 und der digitale Subtrahierer 340 einen digitalen Addierer oder Subtrahierer oder eine andere solche Prozessorfunktion umfassen, die fähig ist, den Stromsollwert 315, das Dither-Signal 333 und den berechneten Durchschnittsstrom 331 zu summieren oder zu mischen, um das Stromfehlersignal 341 bereitzustellen.
5A ist eine Spulenausgangsstrom-Ansprechsignalform 510 der Steuerschaltungen 300 der 3 und 4, die das verbesserte Ansprechen des Ausgangsstroms 510 auf die Ansteuerung der Last 366 während eines scharf zunehmenden Übergangs der Versorgungsspannung VBAT, wie zum Beispiel das der Signalform 502 der 5B, darstellen.
5C ist eine Spulenausgangsstrom-Ansprechsignalform 510 der Steuerschaltungen 300 der 3 und 4, die das verbesserte Ansprechen des Ausgangsstroms 510 auf die Ansteuerung der Last 366 während eines scharf abnehmenden Übergangs der Versorgungsspannung VBAT, wie zum Beispiel das der Signalform 512 der 5D, darstellen.
5A und 5C veranschaulichen ein wesentlich verringertes Überschwingen des Spulen-Ansteuerstroms (Isolenoid) 500 und 510 als Folge des plötzlichen Übergangs der Versorgungsspannung VBAT 502 bzw. 512. Tatsächlich ist zu beobachten, daß zum Beispiel der Durchschnittsspulenstrom über eine Dither-Zyklusperiode 504 in beiden Figuren auf dem Anfangswert von etwa 1 Ampere bleibt. Zum Beispiel ist in 5A während des ins Positive gehenden Übergangs der Spannungsversorgung VBAT 502 gemäß 5B nur ein Schaltzyklus bzw. nur eine PWM-Periode „c” notwendig, um einen einigermaßen stabilen Stromwert von etwa einem Ampere wiederherzustellen. Ähnlich ist in 5C während des ins Negative gehenden Übergangs der Spannungsversorgung VBAT 512 gemäß 5D nur ein Schaltzyklus oder nur eine PWM-Periode „c” notwendig, um wieder einen einigermaßen stabilen Stromwert von etwa Stromwert von etwa einem Ampere herzustellen. Die Steuerschaltung 300 gemäß 3 und 4 regelt somit nahezu unmittelbar den Laststrom l_wd 310 der Spule oder einer anderen solchen Last 366 auf den gewünschten Stromsollwert 315, wodurch ein schnelles Ansprechen gewährleistet wird, das ausreicht, um den Versorgungsspannungstransienten der erwarteten Anwendungen Rechnung zu tragen.
5E veranschaulicht mehrere Regelsystem-Signalformen 520 und eine Versorgungsspannungssignalform VBAT 562 der Steuerschaltungen 300 und des Systems 400 gemäß 3 und 4, wobei das Steueransprechverhalten auf die Ansteuerung der Last (z. B. der Spule 366) während eines scharf zunehmenden Übergangs der Versorgungsspannung VBAT 362 dargestellt ist.
Zum Beispiel geht VBAT 362 zum Zeitpunkt t0 von einer niedrigeren Versorgungsspannung 362a zu einer höheren Versorgungsspannung 362b über. Vor dem Zeitpunkt t0 wird angenommen, daß sich das Fehlersignal Control_out 345 in einem einigermaßen stabilen Zustand befindet, wobei der Durchschnittsausgangsstrom (z. B. 331) etwa mit dem Sollwertstrom (z. B. 315) übereinstimmt, so daß das Signal Control_out 345 stabil ist. Das Signal 540 der 5E ist das Ausgangssignal eines Zählers in dem PWM-Erzeugungsblock, der durch ein auf dem Taktsignal 351 beruhendes Taktsignal zurückgesetzt wird, um die PWM-Zeitbasis festzulegen. Das interne PWM-Signal 540 ist ein Sägezahn- oder Rampensignal, das verwendet wird, um das Signal Control_out 345 zu modulieren, um das durch den PWM-Erzeugungsblock 350 gemäß 3 und 4 produzierte PWM_out 312 zu erzeugen. In der beispielhaften Steuerschaltung 300 gemäß 3 und 4 können ein Signal Control_out 345 und das Rampensignal 540 verglichen und dann durch die Lastspannungsmessung V_wd 311 moduliert werden, um das Ausgangssignal PWM_out 312 zu bilden. Das Ausgangssignal PWM_out 312 weist eine Periode (c) und ein Tastverhältnis auf, das eine EIN-Zeit (a) und eine AUS-Zeit (b) aufweist. Das Tastverhältnis des Ausgangssignals PWM_out 312 weist ein Verhältnis der EIN-Zeit (a) bezogen auf die AUS-Zeit (b) auf, wobei das Tastverhältnis proportional zu dem Laststrom (z. B. dem Laststrom-Sollwert 315) und außerdem umgekehrt proportional zu der Lastspannung (z. B. V_wd 311) ist.
Somit kann das Tastverhältnis auch dargestellt werden als:
Außerdem werden in der beispielhaften Steuerschaltung 300 gemäß 3 und 4 die Steigung (ϕ) und Amplitude (A) des Rampensignals 540 mittels der Kompensation der gemessenen Lastspannung V_wd 311 bezogen auf den Strom in der Last 366 durch die Stromversorgungsspannung VBAT 362 moduliert. Vor dem Zeitpunkt t0 und während sich die Schaltung 300 und der Strom in einem stabilen Zustand befinden, besitzt das Rampensignal 540 eine Steigung (ϕ) und eine Amplitude (A), wie bei 544 dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 geht die Stromversorgungsspannung VBAT 362 von der niedrigeren Versorgungsspannung VBAT 362a zu einer höheren Versorgungsspannung VBAT 362b über. Nach dem Zeitpunkt t0 bleibt das Signal Control_out 345 stabil. Gleichzeitig bewirkt jedoch das Kompensationseingangssignal der gemessenen Lastspannung V_wd 311 in den PWM-Funktionsblock 350 auch eine sofortige Zunahme des Rampensignals 540 von der Steigung (ϕ) und Amplitude (A) zu der Steigung (ϕ') und der Amplitude (A'), wie bei 546 dargestellt. Die vergrößerte Steigungsgeschwindigkeit (ϕ') und Amplitude (A'), die sich in dem PWM-Ausgangszählersignal 540 widerspiegelt, bewirkt eine sofortige Abnahme der EIN-Zeit des Tastverhältnisses und einen im Wesentlichen stabilen Laststrom bei der neuen höheren Versorgungsspannung VBAT 362b.
Wie in 5A und 5C dargestellt, erzielen die Schaltungen und Systeme der vorliegenden Erfindung diesen neuen Schaltungsstabilisierungspunkt nahezu augenblicklich, wodurch in bezug auf Lastspannungsänderungen oder -transienten kompensiert wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben somit erkannt, daß solche Versorgungsspannungs-Ansprechverzogerungen durch Hinzufügung einer Lastspannungskompensations- oder Korrekturschaltung überwunden werden können, um die Ausgangsansprechgeschwindigkeit während schnellen Versorgungsspannungsübergängen drastisch zu vergrößern. Insbesondere weist die vorliegende Erfindung eine Spannungsversorgungs-Meßschaltung und einen innovativen PWM-Erzeugungs-Schaltungsblock auf, der ein Tastverhältnis erzeugt, das nicht nur proportional zu dem Durchschnittslaststrom ist, sondern auch umgekehrt proportional zu der Spulen-Versorgungsspannung.
6 veranschaulicht eine Ausgangssignalform 600 der Regelsystemausführungsform 300 gemäß 4 während der Ansteuerung der Last 366 ohne Verwendung eines Dither-Signals 333. Der Laststrom wird zum Beispiel auf einem Durchschnittslaststrom I_AVG 610 gehalten, indem die Last 366 zwischen der voreingestellten oberen Grenze I_MAX 612 und Untergrenze I_MIN 614 angesteuert (bei einer Ausführungsform geschaltet) wird, die ein PWM-Modulationsband 616 definieren. Das PWM-Modulationsband 616 kann zusammen mit anderen Anfangseinstellungen zum Beispiel in der Steuerschaltung 300 programmiert werden, wobei die Amplitude der PWM-Modulation bei den vorliegenden Ausführungsformen zum Beispiel als Ergebnis der Frequenz oder Periode 618 des Taktsignals 351, der zugeführten Lastspannung VBAT, des Lastwiderstands und induktiver Komponenten des Systems auftritt.
7 veranschaulicht eine Ausgangssignalform 700 der Regelsystemausführungsform 400 gemäß 4 mit einem Dither-Signal 333 und Ansteuerung der Last 366. Der Laststrom wird zum Beispiel auf einem Durchschnittslaststrom I_AVG 710 gehalten, indem die Last 366 zwischen der voreingestellten Obergrenze I_MAX 712 und Untergrenze I_MIN 714 angesteuert (bei einer Ausführungsform geschaltet) wird, die ein PWM-Modulationsband 716 definieren. Das PWM-Modulationsband 716 kann zusammen mit anderen Anfangseinstellungen zum Beispiel in dem Chip der Steuerschaltung 300 programmiert werden. Die Frequenz oder Periode 418 dieser Lastschaltung wird im allgemeinen durch die Frequenz oder Periode 618 des Taktsignals 351, die konkreten Lastströme, den Wert der verwendeten Versorgungsspannung und das gewählte PWM-Modulationsband 716 bestimmt.
Zusätzlich kann der Dither-Generator 332 das Dither-Signal 333 mit einer Dither-Amplitude 739 und einer Dither-Frequenz oder Dither-Periode 722 bereitstellen. Der Dither-Generator 332 kann verwendet werden, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung der Last (bei anderen Ausführungsformen: des Kerns oder Magnetkerns einer Spule oder Motors) zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist. Obwohl das Taktsignal 351 im allgemeinen die Zeitbasis für alle Berechnungen der Steuerschaltung 300 liefern kann, kann das Dither-Signal 333 als Alternative bei einer Ausführungsform zur Berechnung des Durchschnittslaststroms 331 über eine ganzzahlige Anzahl von Dither-Zyklusperioden 722 eine Zeitbasisquelle für den Mittelwertblock 330 bereitstellen. Die Amplitudenkomponente 739 des Dither-Signals kann bei der Ausführungsform der 3 und 4 in dem Summierungsblock 336 mit dem Stromsollwert 315 und dem berechneten Durchschnittslaststrom 331 summiert (oder anderweitig berücksichtigt) werden, um einen Laststromfehler 341 zu liefern. Aus 7 ist zu ersehen, daß die Ausgangssignalform 700 im Wesentlichen das Dither-Signal 333 als ein Wechselstromsignal aufweist, das auf dem Lastansteuersignal PWM_out 312 bzw. der Ausgangssignalform 600 der 6 mit Dither reitet bzw. mit diesem summiert ist.
Bei einer Ausführungsform kann das Regelsystem 400 einen im Wesentlichen konstanten Durchschnittsstrom liefern, dem eine periodische Welle überlagert wird und wobei die periodische Welle eine Frequenz aufweist, die mit einem Taktsignal 351 und einer PWM-Schaltfrequenz für die Last assoziiert ist, wie zum Beispiel bei einer Frequenz von etwa 2–10 kHz, abhängig von den Lastströmen, der Versorgungsspannung und anderen Betriebsbedingungen des Systems.
Zusätzlich oder als Ersatz für eine oder mehrere der dargestellten Komponenten schließen die dargestellte Steuerschaltung, das kompensierte Regelsystem und andere Systeme der Erfindung geeignete Schaltungstechnik, Zustandsmaschinen, Firmware, Software, Logik, etc. ein, um die unterschiedlichen Verfahren und Funktionen, die hier dargestellt und beschrieben sind, auszuführen, einschließlich der, aber nicht beschränkt auf die im Folgenden beschriebenen Verfahren. Während die hier dargestellten Verfahren als eine Abfolge von Vorgängen und Ereignissen dargestellt und beschrieben werden, wird erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung durch die dargestellte Reihenfolge dieser Vorgänge und Ereignisse nicht beschränkt ist. Beispielsweise können in Übereinstimmung mit der Erfindung einige Vorgänge in unterschiedlicher Folge und/oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Ereignissen stattfinden, die sich von den hier dargestellten und/oder beschriebenen unterscheiden. Auch müssen nicht alle beschriebenen Schritte zur Anwendung einer Methodik in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erforderlich sein. Weiterhin können die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl in Verbindung mit dem Betrieb von Systemen, die hier dargestellt und beschrieben werden (bei anderen Ausführungsformen: Schaltung 300 gemäß 3 und 4) ausgeführt werden, als auch in Verbindung mit anderen nicht dargestellten Systemen, wobei all diese Anwendungen als von der vorliegenden Erfindung und den beigefügten Ansprüchen umfasst angesehen werden.
Nunmehr mit Bezug auf 8–11 sind eine oder mehrere Ausführungsformen eines Verfahrens 800 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung im Kontext der Steuerschaltungen 300 und des Systems 400 gemäß 3 und 4 dargestellt. Bei dem Verfahren 800 wird ein Laststrom (bei anderen Ausführungsformen: ein Strom, eine Spannung, ein Magnetfeld, eine Lichtenergie oder eine Leistung), der mit einer Last 366 (bei anderen Ausführungsformen: einer Spule, einem Motor, einer Lampe oder einer induktiven Last) in Zusammenhang steht, die mit einem Stromsollwert (z. B. 315) angesteuert wird, und eine Lastspannung (z. B. VBAT 362), die mit einer Last 366 in Zusammenhang steht, bei 810 gemessen und bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform können die Messung des Laststroms l_wd 310 und die Lastspannungsmessung V_wd 311 digital unter Verwendung eines Analog/Digital-Umsetzers A/D 318 und A/D 320 durchgeführt werden, um eine Digitalwortdarstellung des Laststroms 310 bzw. der Lastspannung 311 bereitzustellen, und um Berechnungen der Lastmessungen zum Beispiel unter Verwendung von auf Software basierender Mittelung und anderer solcher mathematischer Funktionen besser zu ermöglichen.
Bei 820 wird ein Tastverhältnis (z. B. a/(a + b), mit dem die Last (z. B. 366) unter Berücksichtigung des gemessenen Laststroms (z. B. l_wd 310) und der gemessenen Lastspannung (z. B. V_wd 311) angesteuert wird, bestimmt.
Bei 830 wird die Last basierend auf dem bestimmten Tastverhältnis angesteuert. Bei einer Ausführungsform wird die Last 366 durch den MOSFET 370 angesteuert, der zum Beispiel unter Verwendung eines Ansteuersignals PWM_out 312 durch einen Ausgangstreiber 324 angesteuert wird.
Bei einer anderen Ausführungsform von Schritt 820 des Verfahrens 800 kann die Tastverhältnisbestimmung wie in 9 dargestellt durch Berechnen eines Durchschnittslaststroms 331 im Schritt 821 unter Verwendung der Laststrommessung (z. B. l_wd 310) zum Beispiel über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen des Taktsignals 351 oder Dither-Zyklen 722 erhalten werden.
Bei 822 wird unter Berücksichtigung des berechneten Durchschnittslaststroms 331 bezogen auf den Stromsollwert 315 ein Stromsteuer-Ausgangssignal (z. B. Control_out 345) bestimmt.
Danach wird bei 823 das Tastverhältnis (z. B. a/(a + b) durch Modulieren des Stromsteuer-Ausgangssignals mit der gemessenen Lastspannung (z. B. V_wd 311) bestimmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens 800 kann nach Schritt 820 und im Schritt 829 gemäß 10 ein Dither-Signal 333 erzeugt werden, um eine kontinuierliche Bewegung der Last 366 zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist. Danach kehrt das Verfahren 800 der 10 zum Schritt 830 zurück.
Bei einer weiteren Ausführungsform von Schritt 820 des Verfahrens 800 kann die Tastverhältnisbestimmung wie in 11 dargestellt durch Berechnen eines Durchschnittslaststroms 331 im Schritt 824 unter Berücksichtigung einer Messung und Mittelung des Laststroms (z. B. l_wd 310) zum Beispiel über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen (z. B. Zyklen des Taktsignals 351 oder Dither-Zyklen 722) erhalten werden.
Bei 825 wird der Stromsollwert 315 mit einem Dither-Signal 333 summiert und das Ergebnis hiervon von dem berechneten Durchschnittslaststrom 331 subtrahiert, um ein Stromfehlerergebnis 341 zu bestimmen.
Bei 826 wird das Ergebnis 341 mit einem Satz Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Lastschaltansprechverhalten eingestellt, um ein Stromsteuer-Ausgangssignal (z. B. Control_out 345) bereitzustellen.
Danach wird bei 827 das Stromsteuer-Ausgangssignal (z. B. Control_out 345) mit einem Rampensignal (z. B. 540 der 5E) verglichen und das Ergebnis hiervon mit der gemessenen Lastspannung (z. B. V_wd 311) moduliert, wobei das resultierende Tastverhältnis proportional zu dem Durchschnittsstrom (z. B. Laststrom-Sollwert 315) und umgekehrt proportional zu der gemessenen Lastspannung (z. B. V_wd 311) ist, wodurch das Tastverhältnis (d. h. das Tastverhältnis des Ausgangssignals PWM_out 312) bereitgestellt wird.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich einer oder mehrerer Darstellungen dargestellt und beschrieben worden ist, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Wesen und dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Beispielsweise könnte bei einer Ausführungsform die Last eine Spule sein. Weiter könnte solch eine Spule in einem Fahrzeugsystem eingesetzt sein, wie einem automatischen Getriebe. Bei anderen Ausführungsformen könnte die Last eine beliebige andere Last sein, die ein Benutzer bei einer Durchschnittslastkenngröße und Frequenz anzusteuern wünscht.
Weiterhin könnten, obwohl bei der dargestellten Ausführungsform der eine oder die mehreren Transistoren n-Typ Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind, p-Typ MOSFETs einschließlich weiterer Typen von Schaltvorrichtungen benutzt werden (bei anderen Ausführungsformen: Transistoren, Bipolar-Sperrschicht-Transistoren (engl.: bipolar junction transistors, BJTs), Vakuumröhren, Relais, etc.).
Bei einer anderen Ausführungsform können zwei oder mehr Ansteuertransistoren, die dem FET-Transistor 370 ähnlich sind, zum Schalten der Last 366 verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann sich der FET 370 gemäß 3 und 4 auf der hohen Seite der Last befinden und an die Stromversorgung VBAT 362 angeschlossen werden, statt an die Masse Vgnd 363. Eine Vielzahl anderer solcher Abänderungen sind ebenfalls innerhalb der Grundidee und des Umfangs der Erfindung möglich und daher von dieser umfasst.
Darüber hinaus könnten, obwohl unterschiedliche Ausführungsformen darauf hindeuten könnten, dass ein zu einer Last gelieferter Strom zunehmen könnte, sobald eine der gemessenen Spannungen eine andere übersteigt, die hier verwendeten Konventionen ebenso vertauscht sein. Es ist daher verständlich, dass Erhöhungen oder Verringerungen der Spannung oder anderer Variablen bei unterschiedlichen Ausführungsformen transponiert oder anderweitig umgestaltet sein könnten.
Weiterhin können bei unterschiedlichen Ausführungsformen Teile des Steuerschaltung 300 in einem integrierten Schaltkreis integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsformen das Regelsystem aus diskreten Bauelementen bestehen kann. Bei einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Vorrichtungen oder externen Ansteuerkomponenten in einem einzelnen IC zusammen mit dem Controller 302 und/oder der Korrekturschaltung 304 integriert sein. Der Lastkenngrößensensor kann beispielsweise in den gleichen IC wie der Controller integriert sein, oder kann in die gleiche Baugruppe wie der Controller integriert sein, oder kann auf der gleichen PCB-Platine integriert sein, oder kann anderweitig, abhängig von der Ausführung, mit dem Regelsystem in Beziehung stehen.
Unter besonderer Berücksichtigung der unterschiedlichen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten und Strukturen ausgeführt werden (Blöcke, Einheiten, Maschinen (engl.: engines), Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltkreise, Systeme, etc.), ist es beabsichtigt, dass die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein ”Mittel”), die zur Beschreibung dieser Komponenten benutzt werden, jeder Komponente oder Struktur – wenn nicht anders angezeigt – entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (oder eine funktional gleichwertige andere Ausführungsform) ausführt, selbst dann, wenn diese nicht strukturell gleichwertig zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungen der Erfindung ausführt. Darüber hinaus kann, wenn ein besonderes Merkmal der Erfindung hinsichtlich lediglich einer von mehreren Ausführungen offenbart sein sollte, dieses Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen anderer Ausführungen kombiniert werden, wie dies für eine gegebene oder besondere Anwendung wünschenswert und vorteilhaft ist. Weiterhin ist beabsichtigt, dass in dem Umfang, in dem die Ausdrücke ”einschließlich”, ”schließt ein”, ”aufweisend”, ”hat”, ”mit”, oder Varianten hiervon in entweder der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, diese Ausdrücke einschließend sind in einer Weise ähnlich dem Ausdruck ”umfassend”. Zusätzlich sollen in dem Umfang, in dem die Ausdrücke ”Anzahl”, ”Vielzahl”, ”Serien”, oder Varianten hiervon in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, diese Ausdrücke jede Anzahl einschließen, ohne hierauf beschränkt zu sein: positive Zahlen, negative Zahlen, Null, und andere Werte.

Claims

Regelsystem, das aufweist: eine Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts der Last, einer gemessenen Lastkenngröße und einer Versorgungsspannung der Last anzusteuern und unter Berücksichtigung der Lastkenngröße, des Sollwerts und der gemessenen Versorgungsspannung ein Tastverhältnis zu bestimmen, und wobei die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, die Last basierend auf dem Tastverhältnis anzusteuern, unter Berücksichtigung der Lastkenngröße einen Durchschnittslaststrom zu berechnen, sowie das Tastverhältnis durch die folgenden Schritte zu bestimmen: Summieren des Sollwerts mit einem Dither-Signal, Subtrahieren des Ergebnisses hiervon von dem Durchschnittslaststrom, Einstellen des Ergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms, um ein Stromcontroller-Ausgangssignal bereitzustellen, und Vergleichen des Stromcontroller-Ausgangssignals mit einem Rampensignal, das mit der Versorgungsspannung in Zusammenhang steht, wobei ein Ergebnis des Vergleichs ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitstellt, das das Tastverhältnis aufweist, das proportional zu dem Sollwert und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Lastkenngröße ein Laststrom ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung weiterhin einen PWM-Generator aufweist, der dazu ausgelegt ist, ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitzustellen, das das Tastverhältnis aufweist, das proportional zu dem Laststrom-Sollwert und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung weiterhin aufweist: einen Mittelwert-Berechnungsblock, der dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung einer über eine ganzzahlige Anzahl von Lastschaltzyklen genommenen Messung der Lastkenngröße einen Durchschnittslaststrom zu berechnen; Logik, die dazu ausgelegt ist, den Durchschnittslaststrom von einem auf dem Sollwert basierenden Ergebnis zu subtrahieren und ein Stromfehlerergebnis bereitzustellen; einen PID-Regler, der dazu ausgelegt ist, ein Stromcontroller-Ausgangssignal durch Einstellen des Stromfehlerergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms zu bestimmen; und einen PWM-Generator, der dazu ausgelegt ist, das Stromcontroller-Ausgangssignal mit der gemessenen Versorgungsspannung zu modulieren und ein pulsweitenmoduliertes Signal mit dem Tastverhältnis bereitzustellen, das proportional zu dem Laststrom-Sollwert und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung der Last ist.
System nach Anspruch 4, bei dem die Lastkenngröße ein Laststrom ist.
System nach Anspruch 4, das weiterhin aufweist eine Treiberschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Last basierend auf dem Tastverhältnis anzusteuern und der Last einen im Wesentlichen konstanten Strom zuzuführen.
System nach Anspruch 1, bei dem das Regelsystem eine Zustandsmaschine, einen Mikrocontroller und/oder eine angepasste integrierte Schaltung aufweist.
Regelsystem, das aufweist: einen Controller, der dazu ausgelegt ist, einen Laststrom und eine Versorgungsspannung einer Last an jeweiligen Eingängen hiervon zu messen und weiterhin dazu ausgelegt ist, die Last unter Berücksichtigung eines Sollwerts der Last anzusteuern; und eine Korrekturschaltung, die dazu ausgelegt ist, unter Verwendung des gemessenen Laststroms der Last über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen einen Durchschnittslaststrom zu berechnen und das Ergebnis hiervon mit dem Sollwert und einem Dither-Signal zu summieren, unter Berücksichtigung des Durchschnittslaststroms bezogen auf den Sollwert ein Stromcontroller-Ausgangssignal zu bestimmen, und durch Modulieren des Stromcontroller-Ausgangssignals mit der gemessenen Versorgungsspannung ein Tastverhältnis zu bestimmen, wobei der Controller weiterhin dazu ausgelegt ist, die Last basierend auf dem durch die Korrekturschaltung bestimmten Tastverhältnis anzusteuern.
System nach Anspruch 8, bei dem das Regelsystem eine Zustandsmaschine, einen Mikrocontroller und/oder eine angepaßte integrierte Schaltung aufweist.
System nach Anspruch 8, bei dem die Korrekturschaltung weiterhin einen Dither-Generator aufweist, der dazu ausgelegt ist, ein Dither-Signal zu erzeugen, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung der Last zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist.
System nach Anspruch 8, bei dem die Korrekturschaltung weiterhin dazu ausgelegt ist, das Tastverhältnis durch die folgenden Schritte zu bestimmen: Summieren des Stromsollwerts mit einem Dither-Signal, Subtrahieren des Ergebnisses hiervon von dem berechneten Durchschnittslaststrom, Einstellen des Ergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms, um ein Stromcontroller-Ausgangssignal zu bestimmen, Vergleichen des Stromcontroller-Ausgangssignals mit einem Rampensignal, das mit der gemessenen Versorgungsspannung in Zusammenhang steht, wobei die Periode des Rampensignals proportional zu einer Taktgeschwindigkeit ist und die Steigungsgeschwindigkeit des Signals proportional zu der gemessenen Versorgungsspannung ist, und wobei das Ergebnis des Vergleichs ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis bereitstellt, das proportional zu dem berechneten Durchschnittslaststrom und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung der Last gemäß der Ansteuerung durch den Controller ist.
System nach Anspruch 8, bei dem der Controller weiterhin aufweist: einen Analog/Digital-Umsetzer, der dazu ausgelegt ist, den Laststrom und die Versorgungsspannung der Last zu messen und die Messungen des Laststroms und der Versorgungsspannung in ein oder mehrere digitale Wörter umzusetzen; einen Mittelwert-Berechnungsblock, der dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung einer über eine ganzzahlige Anzahl von Lastschaltzyklen ausgeführten Messung des Laststroms einen Durchschnittslaststrom zu berechnen; einen Dither-Generator, der dazu ausgelegt ist, ein Dither-Signal zu erzeugen, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung der Last zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist; einen digitalen Summierer, der dazu ausgelegt ist, den Stromsollwert und das Dither-Signal zu summieren und ein Summierungsergebnis bereitzustellen; einen digitalen Subtrahierer, der dazu ausgelegt ist, den berechneten Durchschnittslaststrom von dem Summierungsergebnis zu subtrahieren und ein Stromfehlerergebnis bereitzustellen; einen PID-Regler, der dazu ausgelegt ist, ein Stromcontroller-Ausgangssignal durch Einstellen des Stromfehlerergebnisses mit einem Satz von Proportional-, Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Ansprechverhalten des Durchschnittslaststroms zu bestimmen; einen PWM-Generator, der dazu ausgelegt ist, das Stromcontroller-Ausgangssignal mit der gemessenen Versorgungsspannung zu modulieren, um ein impulsbreitenmoduliertes Signal mit einem Tastverhältnis bereitzustellen, das proportional zu dem berechneten Durchschnittslaststrom und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung der Last ist; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Last basierend auf dem Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals anzusteuern.
Verfahren zum Ansteuern einer Last, das aufweist: Messen einer Lastkenngröße und einer Versorgungsspannung zugehörig zu der Last; Bestimmen eines Tastverhältnisses, mit dem die Last angesteuert wird, wobei das Tastverhältnis auf der gemessenen Lastkenngröße und der Versorgungsspannung basiert; Ansteuern der Last basierend auf dem Tastverhältnis; Erzeugen eines Dither-Signals, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung der Last zu bewirken, sobald die Last betriebsbereit hieran angeschlossen ist; Berechnen eines Durchschnittslaststroms unter Berücksichtigung einer Messung und Mittelung des Laststroms; Summieren eines Stromsollwerts mit dem Dither-Signal; Subtrahieren des Ergebnisses hiervon von dem Durchschnittslaststrom; Einstellen des Ergebnisses mit einem Satz von Proportional- Integral- und Differentialkoeffizienten entsprechend einem gewünschten Lastansprechverhalten, um ein Stromsteuer-Ausgangssignal bereitzustellen; und Vergleichen des Stromsteuer-Ausgangssignals mit einem Rampensignal und Modulieren des Ergebnisses hiervon mit der gemessenen Versorgungsspannung, wobei das resultierende Tastverhältnis proportional zu dem Durchschnittsstrom und umgekehrt proportional zu der Versorgungsspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Messen der Lastkenngröße und der Versorgungsspannung der Last weiterhin umfasst, einen Laststrom zu messen und den Laststrom und die Versorgungsspannung in ein oder mehrere digitale Wörter umzusetzen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Berechnen eines Durchschnittslaststroms umfasst, die gemessene Lastkenngröße über eine ganzzahlige Anzahl von Taktzyklen, PWM-Perioden, Dither-Zyklen und/oder Zyklen zu verwenden und zu mitteln.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Rampensignal der gemessenen Versorgungsspannung entspricht, wobei die Periode des Rampensignals proportional zu einer Taktgeschwindigkeit ist und die Steigungsgeschwindigkeit proportional zu der gemessenen Versorgungsspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Lastkenngröße ein Laststrom ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Bestimmen des Tastverhältnisses, mit dem die Last angesteuert wird, wobei das Tastverhältnis auf dem gemessenen Laststrom und der Versorgungsspannung basiert, umfasst, das Tastverhältnis folgendermaßen zu bestimmen:
wobei Last_Strom der Sollwert-Laststrom, Last_Spannung die gemessene Versorgungsspannung an der Last, Last_Widerstand ein Widerstand der Last, und Shunt_Widerstand ein Widerstand eines mit der Last in Reihe geschalteten Shunt-Bauelements ist, an dem der Laststrom gemessen wird.