用于调节流经电感性的用电器的电流的电流强度的方法以及相应的电路装置

摘要

本发明涉及一种用于调节流经电感性的用电器（3）的电流的电流强度（IIst）的方法，其中用电器与开关设备（5）和电流测量装置（4）串联并且与空转部件（7）并联，并且在脉冲宽度调制周期期间控制开关设备（5）以便调节电流强度（IIst）。在此规定，借助于第一调节器（13）由输入电流强度（IE）来确定要在脉冲宽度调制周期中调节的平均负载电压（UmL），所述负载电压在脉冲宽度调制周期中借助于开关设备（5）在用电器（3）处进行调节，其中将平均负载电压（UmL）或借助于第二调节器（22）由预设的额定电流强度（ISoll）来确定的额定负载电压（UsL）输送给匹配于用电器（3）的模型（15），并且其中由经过用电器（3）的实际电流强度（IIst）以及借助于模型（15）确定的模型电流强度（IModell）之间的差值（ΔI）和预设的额定电流强度（ISoll）之间的差来确定输入电流强度（IE）。本发明此外涉及一种电路装置（1）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于调节流经电感性的用电器的电流的电流强度的方法，其中用电器与开关设备和电流测量装置串联并且并联于空转部件，并且在脉冲宽度调制周期期间控制开关设备以便调节电流强度。本发明还涉及一种电路装置。

背景技术

电感性的用电器例如是执行器或这一类的，所述执行器尤其用在机动车的变速器中、例如用在自动变速器中。为了运行用电器而对其加载电流，其中用电器的行为能够通过调节电流强度来影响。用电器例如能够作为磁性阀存在，其中经由电流强度能够调节用于流体的穿流横截面并且因此能够调节流体穿过磁性阀的通过能力。

为了调节电流强度，用电器与开关设备和电流测量装置串联。开关设备用于或者给用电器加载电流或者中断电流输送。这利用脉冲宽度调制方法来进行，使得开关设备相应地在一个脉冲宽度调制周期或多个依次脉冲宽度调制周期期间被控制以便调节电流强度。控制在此以特定的占空比进行，所述占空比说明，应当通过相应的脉冲宽度调制周期的多长的时间部分给用电器加载电流。

在占空比为零的情况下，例如完全不进行用电器的加载，而在占空比为一的情况下，超过整个脉冲宽度调制周期进行加载。占空比通常单独地为每个脉冲宽度调制周期确定。自然地，每个任意的占空比能够从零至1进行选择，使得脉冲宽度调制周期的下述部分能够任意地进行调节，在所述部分期间用电器被加载电流。相应地，也能够任意地影响用电器的行为。

电流测量装置用于确定实际上流经用电器的电流或者其电流强度，尤其是通过测量来确定。电流测量装置在此例如包括所谓的分流电阻。由在该分流电阻上下降的电压能够推导出流经用电器以及分流电阻的电流的电流强度。通常空转部件并联于用电器，所述空转部件例如被构造为空转二极管。空转部件尤其是用于保护用电器以免过电压，所述过电压能够在借助于开关设备中断电感性的用电器的电源时首先由于自感而出现。在此，空转部件防止出现过高电压并且因此防止电感性的用电器的可能的损坏或者破坏。

尤其是由于电感性的用电器的自感，该用电器具有迟滞形式的行为，所述行为引起：由于由迟滞形式的行为所导致的非精确性而不再能够容易地执行电流强度的精确调节，使得流经电感性的用电器的电流的实际的电流强度仅能够近似地进行调节。

发明内容

而具有权利要求1的特征的方法具有下述优点：以与从现有技术中已知的方法相比更高的精度执行流经电感性的用电器的电流的电流强度的调节。这根据本发明通过下述方式实现：借助于第一调节器由输入电流强度来确定要在脉冲宽度调制周期中调节的平均负载电压，所述负载电压在脉冲宽度调制周期中借助于开关设备在用电器处进行调节，其中将平均负载电压或借助于第二调节器由预设的额定电流强度来确定的额定负载电压输送给匹配于用电器的模型，并且其中由经过用电器的实际电流强度以及借助于模型确定的模型电流强度之间的差值和预设的额定电流强度之间的差来确定输入电流强度。因此，整体上规定：借助于所谓的IMC调节器（IMC：internal model control内部模型控制）执行电流强度的调节。以该方式，简化第一调节器的参数化，因为该参数化直接地根据电感性的用电器的特性来进行，即尤其是根据用电器的电阻和电感来进行。相应地，降低系统的应用花费。

此外规定，借助于第一调节器由输入电流强度例如不直接地确定要在开关设备上调节的占空比。更确切地说，首先应当确定要调节的平均负载电压。占空比尤其是依赖于经由开关设备连接到用电器上的电源的供电电压。此外，存在占空比对空转部件的空转电压的依赖性，所述依赖性在借助于开关设备中断用电器的电源时是重要的。然而， 例如被构造为电池或蓄电池的电源的供电电压通常与动态干扰、即例如电压骤降或电压阶跃叠加。现在，如果第一调节器直接地计算要在脉冲宽度调制周期期间调节的占空比，那么所述干扰将作为干扰变量共同算入所应用的调节算法中。

为了限制干扰对于调节稳定性的影响，必须过滤为第一调节器提供的关于瞬时供电电压的信息，例如被低通滤波。然而，作为对策这将引起：仅能够以由滤波引起的延迟来调整供电电压的改变。这尤其是在过高电压的电压阶跃的情况下是有问题的，因为由此可能会损坏用电器。相应地，现在规定：仅确定平均负载电压，由所述平均负载电压在下一步骤中例如确定占空比或者所述平均负载电压被考虑用于控制开关设备。平均负载电压对应于第一调节器想要在（下个）脉冲宽度调制周期期间在用电器处所调节的电压，以便达到期望的电流强度。

为了实现IMC调节方法，除了第一调节器之外，存在用电器模型，所述模型类似于实际的调节路段、即用电器提供电流强度。所述电流强度在该模型的情况下称作为模型电流强度。模型电流强度为模型的输出变量、尤其是唯一的输入变量。或者将借助于第一调节器确定的且在脉冲宽度调制周期期间借助于开关设备在用电器处调节的平均负载电压输送给模型作为输入变量、尤其是作为唯一的输入变量。替选地，也能够为模型输送额定负载电压，所述额定负载电压借助于第二调节器确定。优选地如同第一调节器那样将额定电流强度输送给该第二调节器作为输入变量。

为了闭合具有第一调节器的调节回路，从差中确定输送给第一调节器的输入电流强度，该输入电流强度是从额定电流强度中减去差值。该差值位于例如借助于电流测量装置来确定或测量的实际电流强度和利用该模型得到的模型电流强度之间。该差值例如为实际电流强度和模型电流强度之间的差。额定电流强度是应当在用电器处调节的电流强度。在完全对应于用电器的理想的模型中并且在没有出现干扰的情况下，因此差值总是等于零，使得在该情况下将额定电流强度作为输入电流强度或作为输入变量输送给第一调节器。

在本发明的一个改进方案中规定：平均负载电压向下受限于最小值和/或向上受限于最大值。代替或附加于限制平均负载电压也能够执行平均负载电压的绝对值的限制。借助于向下的限制确保：负载电压或者平均的负载电压不变得小于最小可实现的电压。替代地或附加地，能够进行限制，使得负载电压或平均负载电压不超过最大值。以该方式首先确保：预设的平均负载电压不大于电源的可用的供电电压。

相应地，在本发明的另一个设计方案中能够规定：将用电器的电源的平均供电电压用作最大值。电源例如被构造为电池或蓄电池。由于电源的在不同时间点不同的负载、尤其是由于另外的用电器，供电电压能够波动。出于该原因，优选地不将供电电压本身用作最大值，而是将平均值、即平均供电电压用作最大值。平均供电电压例如通过尤其是借助于低通滤波器对瞬时供电电压滤波来得到。

附加地或替代地能够规定，将空转部件的空转电压的绝对值或空转电压用作最小值。因此，最小值通过空转部件的特性来确定并且通常是恒定的，而最大值能够在时间上变化。

本发明的一个改进方案规定：由平均负载电压和电源的瞬时的供电电压至少一次地在脉冲宽度调制周期期间确定脉冲宽度调制周期的要借助于开关设备调节的占空比。如上面已经阐述：平均负载电压借助于第一调节器来确定。根据平均负载电压，下面，必须控制开关设备，以便设定或调节流经用电器的电流的期望的电流强度。例如能够规定：在脉冲宽度调制周期开始时或开始之前由平均负载电压确定脉冲宽度调制周期的占空比。在此，除了平均的负载电压之外，也能够使用电源的瞬时的供电电压。替代地，自然可以应用平均的供电电压。

在这样的处理方法中，在脉冲宽度调制周期期间根据确定的占空比调节开关设备。然而，有利地，在脉冲宽度调制周期期间多次确定占空比或者控制开关设备，使得确定的占空比出现。这尤其优选地借助瞬时供电电压进行。以该方式，能够补偿供电电压的波动，使得所述波动不在实际电流强度与额定电流强度的偏差中表现出来或者不负面地影响电流强度的调节。例如，在脉冲宽度调制周期开始时计数器被设为零并且在脉冲宽度调制周期期间在相继的工作脉冲中以确定的持续时间递增数值，所述数值对应于瞬时供电电压除以（整个）脉冲宽度调制周期的持续时间。只要该计数器小于平均负载电压，那么就控制开关设备以便用电流加载用电器。相反，如果计数器超过平均负载电压，那么控制开关设备以便中断电源。自然地，类似的处理方法也是可行的。

本发明的另一个设计方案规定：借助于第一调节器由输入电流强度来确定平均负载电压以脉冲宽度调制频率进行，并且以键控频率进行占空比的确定，其中选择键控频率大于脉冲宽度调制频率。脉冲宽度调制频率由脉冲宽度调制周期的持续时间的倒数得出。脉冲宽度调制频率优选地是恒定的，然而也能够可变地选择。如已经在上面阐述，在脉冲宽度调制周期期间能够多次确定占空比或者控制开关设备，使得确定的占空比出现。

利用其在脉冲宽度调制周期期间确定占空比或者进行开关设备的控制的键控频率现在相应地应当大于脉冲宽度调制频率。特别是，键控频率明显更大，例如为2、3、4、5、10、25或50倍。占空比因此在脉冲宽度调制周期期间匹配于可能变化的瞬时供电电压。因此可行的是，在实际控制开关设备时考虑瞬时的供电电压并且因此显著地减小干扰对其的影响，而第一调节器不必干预。相应地，实现极其稳定的调节回路。在此，也能够有意义的是，在计算占空比时考虑空转电压。

在本发明的一个尤其优选的实施方式中规定：由预设电流强度和叠加电流强度来确定额定电流强度，其中借助于由第一调节器和用电器构成的调节回路的倒置的传递函数由叠加预设电流强度来确定叠加电流强度。由其最后确定输入电流强度的额定电流强度因此就其而言由多个数值、即预设电流强度和叠加电流强度组成。预设电流强度在此例如描述这样的电流强度，利用该电流强度实现用电器的期望状态。预设电流强度就这点来说是通常在多个脉冲宽度调制周期之上保持恒定的平均电流强度。而叠加电流强度优选地周期地变化并且就这点来说对应于颤动信号。叠加电流强度例如根据在时间上的预设的周期进行的变化来确定。

因此，额定电流强度不对应于预设电流强度，而是基于该预设电流强度优选地周期性地减少或扩大。在此，叠加电流强度通常显著小于预设电流强度。通过将预设电流强度与叠加电流强度叠加实现：电感性的用电器的移动的元件在任何时间点都不静止并且相应地不过渡到静摩擦的范围中。更确切地说，元件总是保持运动，使得其处于滑动摩擦范围中。以该方式能够实现用电器的移动元件的或者用电器的最小迟滞。

叠加电流强度由叠加预设电流强度来计算，其中后者例如从表格中或根据分别优选地具有时间或等价变量作为参数的数学法则来确定。将倒置的传递函数应用于叠加预设电流强度，用此得出叠加电流强度。传递函数描述由第一调节器和用电器组成的调节回路。通过应用倒置的传递函数确保：叠加预设电流强度实际上施加在用电器上并且不通过第一调节器或其他的影响而改变。

原则上，叠加预设电流强度在时间上能够任意地变化。然而通常，正值和负值交替，使得首先在确定的第一数量的脉冲宽度调制周期之上存在叠加预设电流强度的正值并且在后续数量的脉冲宽度调制周期之上存在叠加预设电流强度的负值，其中数值分别能够在正或负的范围中在幅度上变化。在此，脉冲宽度调制周期的数量能够是相同的或也能够是不同的。同样地，叠加预设电流强度的幅度在这两个范围中能够相同或不同地选择。然而在此总是需要注意：在叠加预设电流强度的周期上的平均值等于0，使得就这点而言得到平均值中性。例如，叠加预设电流强度的变化具有正弦变化。

本发明的一个有利的改进方案规定：差值对应于尤其是通过传递部件传输的、经过用电器的实际电流强度和借助于模型确定的模型电流强度之间的差。如上面已经阐述，差值能够等于实际电流强度和模型电流强度之间的差，其中后者从前者中减去。叠加电流强度或者叠加预设电流强度的应用能够引起：流经用电器的电流的平均电流强度——在叠加预设电流强度的周期上平均地——延迟。如果由第一调节器和用电器组成的调节回路由于所选择的时间常量不能够跟随供电电压和/或空转电压，那么该情况尤其是出现。在此形成的误差被称为平均值误差并且优选地被找平。在此，通过如所描述的那样反馈差值的方式使用第一调节器的行为。尤其有利的是，差值在此被引导经过传递部件。

该传递部件例如能够是P部件、I部件、D部件或其任意的组合。

最后，在本发明的另一设计方案中能够规定：预设电流强度、额定电流强度和/或输入电流强度被滤波。因此，能够将所述的电流强度中的单独的或所述的电流强度中的多个、尤其是全部进行滤波。以该方式避免电流强度的阶跃变化并且改进调节的稳定性。

本发明此外涉及一种具有用于调节流经电感性的用电器的电流的电流强度的控制仪器的电路装置，尤其是一种用于执行上述方法的电路装置，其中用电器与开关设备和电流测量装置串联并且与空转部件并联，并且控制仪器被构造用于在脉冲宽度调制周期期间控制开关设备以便调节电流强度。此外，控制仪器被设置用于：借助于第一调节器由输入电流强度来确定要在脉冲宽度调制周期中调节的平均负载电压，所述负载电压在脉冲宽度调制周期中借助于开关设备在用电器处进行调节，其中将平均负载电压或借助于第二调节器由预设的额定电流强度来确定的额定负载电压输送给匹配于用电器的模型，并且其中由经过用电器的实际电流强度以及借助于模型确定的模型电流强度之间的差值和预设的额定电流强度之间的差来确定输入电流强度。对于这样的处理方法的优点已经被指出。电路装置或方法自然能够根据上述实施方案来扩展，使得就这点而言参考所述实施方案。

附图说明

下面，借助附图中示出的实施例详细阐述本发明，而不对本发明进行限制。在此其中：

图1示出电路装置的第一实施方式，

图2示出电路装置的第二实施方式，

图3示出第一设计方案中的借助于电路装置实现的方法的示意图，

图4示出第二设计方案中的方法的示意图，

图5示出第一变型形式中的电路装置的区域的细节图，和

图6示出第二变型形式中的电路装置的细节图。

具体实施方式

图1示出具有控制仪器2、电感性的用电器3、电流测量装置4以及开关设备5的电路装置1。此外设置有电源6。将用电器3、电流测量装置4和开关设备5共同连接到所述电源上，其中用电器3、电流测量装置4和开关设备5相互串联。空转二极管形式的空转部件7至少与用电器3并联、然而优选地附加地与电流测量装置4并联。空转部件7以其阴极连接到电源6的正极上，而其阳极或者连接在用电器3和电流测量装置4之间或者（如在此示出的那样）连接在电流测量装置4和开关设备5之间。用电器3例如作为磁性阀或作为磁性阀的线圈存在。

开关设备5在其背离用电器3的侧上被接地8。然而这是可选的。不仅例如具有分流电阻9的电流测量装置4而且例如由功率电子开关构成的开关设备5被连接到控制仪器2上。在此作为微控制器10存在的控制仪器2借助于电流测量装置4或分流电阻9确定流经用电器3的电流的实际电流强度。控制仪器2此外在脉冲宽度调制周期期间控制开关设备5，使得调节电流强度或实际电流强度。

自然地，代替在此示出的低侧布置，开关设备5也能够以高侧布置、即在用电器3的朝向电源6的正极的侧上被布置。

图2示出电路装置1的另一种实施方式。与根据图1描述的实施方式的区别在于：微控制器10现在仅经由总线11与专用集成电路（ASIC：application-specific integrated circuit）连接。该电路12将电流测量装置4以及用于控制开关设备5的机构集成。附加地，自然可行的是，例如开关设备5同样集成到电路12中。同时，电路12能够被构造用于调节多个用电器3的电流强度，即就这方面来说具有多个通道。此外，电路12能够被考虑用于诊断目的。最后还可行的是，将微控制器10集成到电路12中。

图3示出用于调节流经用电器3的电流的电流强度的方法的示意图，所述方法例如借助上述电路装置1或控制仪器2来实现。所示出的尤其是用电器3、开关设备5、第一调节器13、另一调节器14以及模型15。将预设电流强度I_V以及叠加预设电流强度I_DV用作输入变量。将预设电流强度I_V经由滤波器16引导并且随后在联接点17处提供。叠加预设电流强度I_DV借助于由第一调节器13和用电器3组成的调节回路的倒置的传递函数被转化成叠加电流强度I_D。所述叠加电流强度同样在联接点17处被提供。在那里，所述叠加电流强度被加到预设电流强度I_V上，使得得到额定电流强度I_Soll，所述额定电流强度随后例如被引导经过滤波器18。

额定电流强度I_Soll被输送给联接点19，在所述联接点中从额定电流强度上减去差值ΔI。由该减法得到输入电流强度I_E，其作为（尤其是唯一的）输入变量被输送给第一调节器13。所述第一调节器13优选地被实施为IMC调节器并且由输入电流强度I_E确定平均负载电压U_mL。所述平均负载电压作为输入变量被提供给不仅调节器1而且模型15分别作为输入变量。此外，将电源6的瞬时供电电压U（t）输送给调节器14。调节器14由输送给其的变量来确定占空比并且相应地控制开关设备5，使得用电器3或者被加载电源6的电流或者中断电源。

借助于电流测量装置4或分流电阻9确定的实际电流强度I_Ist被输送给联接点20。并行于此，匹配于用电器3或用电器3以及开关设备5的模型15计算模型电流强度I_Modell。所述模型电流强度同样被输送给联接点20并且在那里从实际电流强度I_Ist中减去。该减法的结果为差值ΔI，所述差值可选地被引导经过滤波器21、例如I部件。通过反馈差值ΔI闭合调节回路。相应地，出现在尤其由用电器3和开关设备5组成的调节路段中的干扰能够由第一调节器13平衡。

图4示出由图3已知的方法的另一设计方案的示意图。其区别现在在于：借助于第一调节器13确定的平均负载电压U_mL不被输送给模型15。更确切地说，设置有第二调节器22，将额定电流强度I_Soll作为（优选唯一的）输入变量输送给所述第二调节器。第二调节器22由该额定电流强度I_Soll确定额定负载电压U_sL，所述额定负载电压代替平均负载电压U_mL被输送给模型15。以该方式例如能够平衡开始描述的平均值误差。明确地指出的是，滤波器16、18和21在方法的这两个设计方案中是可选的，即可以不设置。

图5示出第一变型形式中的电路装置1的细节图，所述细节图尤其能够应用于在图2中示出的实施方式。以示意的形式示出的是用电器3和其与电路12的电连接。所述电路就其而言以已经描述的方式和方法与微控制器10经由总线11连接。然而，现在附加地设置有另外的电路23，所述电路同样经由总线11与微控制器10连接。附加地，另外的连接24能够直接地存在于电路12和23之间。以该方式能够将电路23用于监控电路12，例如通过电路23与电路12相同的方式确定用于开关设备5的占空比或控制信号。这两个以该方式确定的控制信号或占空比随后相互进行比较并且仅在一致的情况下被用于控制开关设备5并且因此给用电器3加载来自电源6的电流。电路12和23例如分别被实施为ASIC。

图6示出另一变型形式中的电路装置1的细节图，所述细节图能够使用在安全重要的领域中。类似于明确被参考的在图5中示出的变型形式，现在设置有两个电路12和23。然而，现在电路23不仅仅被考虑用于监控，而是同样与用电器3电连接。电路12在此例如此外控制开关设备5，而电路23控制在此没有示出的另外的开关设备。因此，前者作为用电器3的低侧开关来工作，而后者用作高侧开关。然而，自然也能够实现相反的布置。电路23此外用于监控电路12并且在正常运行期间永久持续地接通。然而，如果现在确定电路12的故障，那么能够借助于电路23中断用电流加载用电器3。

即使电路12保持在以下状态中，即在所述状态中用电器3永久与地8连接，电路23仍能够中断用电器3的电源。以该方式根据ASIL D实现实际电流强度I_Ist或额定电流强度I_Soll的监控。尤其当在电路12中集成被用于控制开关设备5的开关信号、即PWM信号的检测时，这样的ASIL D-系统也能够利用仅仅一个电路12来实现。在该情况下，能够利用基于所检测的开关信号的诊断来实现冗余的监控路径。在此，具有电路装置1的设备、例如变速器的状态变量被分析。这样的变量例如是用电器3的期望的欧姆电阻或变速器油温。由供电电压、所检测的开关信号和计算的电阻能够计算流经用电器3的电流的要期待的电流强度。该期待的电流强度与额定电流强度I_Soll进行比较。在出现区别、尤其是超过确定的极限值的区别的情况下，控制仪器2或者电路12能够控制开关设备5以便中断用电器3的电源。

在全部上述实施方式的范围中能够以简单的方式和方法执行诊断。所述诊断例如借助至少一个计数器来实现。如果误差、例如每时间单位的误差超过特定的最大误差数量，那么能够设置误差信号。根据该误差信号能够引入相应的对策。当在脉冲宽度调制周期期间实际电流强度I_Ist与额定电流强度I_Soll的偏差超过特定的最大偏差时，计数器例如递增。特别是，每脉冲宽度调制周期刚好一次地执行在此设置的实际电流强度I_Ist和额定电流强度I_Soll之间的比较。