CN107978416A

CN107978416A - 确定电磁执行器的可运动电枢的位置的方法和电路装置

Info

Publication number: CN107978416A
Application number: CN201710992562.2A
Authority: CN
Inventors: T.基尔希纳
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-05-01
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: CN107978416B; DE102016220686A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定电磁执行器（101）的可运动电枢（103）的位置的方法，其中所述电枢能够借助电磁执行器（101）的线圈（102）的通电而运动，其中半导体开关（M1）、电流测量电阻电路（RS）和所述线圈（102）串联，其中所述电枢（103）的位置（x）在考虑在有振荡能力的电系统中的振荡信号的频率的情况下确定，其中所述线圈（102）用作有振荡能力的电系统的影响频率的元件，其中在所述线圈（102）和所述电流测量电阻电路（RS）之间的电路点上的电位借助所述半导体开关（M1）调节到额定值上。

Description

确定电磁执行器的可运动电枢的位置的方法和电路装置

技术领域

本发明涉及用于确定电磁执行器的电枢的位置的方法以及电路装置，该电枢能够借助电磁执行器的线圈的控制来运动。

背景技术

已知具有电枢和线圈的电磁执行器，其中电枢能够通过给线圈通电的方式来运动。这样的电磁执行器经常用在电磁阀中，例如用于液压应用。在此，这样的电磁阀可以用作比例阀，其方式是，例如脉宽调制地控制线圈。在此，由于电感，在线圈中出现平均电流。作为对磁力的反作用力，在此可以设置弹簧，然而例如也可以设想另外的线圈。

然而，电枢的并且因此例如连接到电枢上的控制滑阀的实际位置在此经常不与基于控制理论上预先确定的位置相一致。其原因例如可能是液压线路中的反作用于电枢的污物或不同压力。

在未公开的DE10 2015 213 206.4中提出用于确定电磁执行器的可运动电枢的位置的方法以及电路装置，其中从电磁体的充电和放电电流曲线的频率测量来确定的电枢的位置。例如线圈电流借助分流电阻来测量。已经证明，在使用典型的具有运算放大器的放大器电路中的测量不仅是带有噪声的而且不是特别温度稳定的。在非反相的运算放大器电路中，例如（温度相关的）偏移电压倍增地进入到结果中。在反相的放大器中，至少还相加。两个放大器类型具有固有噪声。附加地，测量参量的噪声被吸收并且被放大。偏移电压的所描述的相关性在振荡电路中产生频率的温度相关性。噪声产生输出信号的抖动，该抖动对动力学的负载例如可以借助频率测量的平均化来补偿。

发明内容

根据本发明提出具有独立专利权利要求的特征的用于确定电磁执行器的可运动电枢的位置的方法以及电路装置。有利的设计方案是从属权利要求以及随后说明书的主题。

根据本发明的方法用于确定电磁执行器的电枢的位置，该电枢能够借助电磁执行器的线圈的通电而运动。对此，电枢的位置在考虑有振荡能力的电系统中的振荡信号的频率的情况下来确定，其中线圈用作有振荡能力的电系统的影响频率的元件。

电磁执行器中的电枢位置的仅仅小的位移产生线圈中的电流或其曲线的也仅仅小的变化。这样的小的变化尽管理论上是可测量的，但是这在实践中几乎不能实施，因为合适的扫描设备的分辨率通常对此不足够。本发明现在利用：却能够在电流曲线的频率中并且因此在有振荡能力的系统的频率中识别电流的这样的小的变化，因为每个周期的变化相加并且因此能够更容易测量。特别是通过该方式，电磁执行器的线圈本身也可以用于确定电枢的位置并且不需要附加的测量设备。由此节省成本。

本发明现在如下地深化DE10 2015 213 206.4的所述主题，即线圈上的电压的高度借助与线圈串联的半导体开关、特别是晶体管来调节到额定电压上。如果现在电流测量电阻电路、诸如简单的分流电阻前置于线圈，则在其线圈侧的极上的（相对于地的）电压是已知的、即额定电压。在其半导体开关侧的极上的（相对于地的）电压对应于额定电压与在电流测量电阻电路上下降的电压的和，该电压又通过电流测量电阻电路的电阻和流经该电流测量电阻电路的电流来表征。该电流又对应于经过线圈的电流。

因此经过线圈的电流可以简单地通过将线圈和电流测量电阻电路之间的电路点上的电位调节到额定值上并且检测电流测量电阻电路的半导体开关侧的极上的电压或电位来确定并且被确定用于确定频率和由此确定电枢位置。因为电流测量电阻电路的电阻由于调节而不再影响经过线圈的电流强度，所以电阻值可以最佳地针对测量来进行选择。针对测量不必使用电流电压转换器或诸如此类的。

线圈和电流测量电阻电路之间的电路点上的电位引导给调节电路，该调节电路的输出端与半导体开关的控制输入端（栅极、基极）连接。调节电路可以具有运算放大器，以便平衡晶体管的不足、诸如基极发射极电压的温度和部件相关性或在双极型晶体管中的电流放大或MOSFET中的阈值电压。然而，该运算放大器不用于测量。

本发明提供以下优点，即测量可以在不使用运算放大器的情况下进行。由此明显改进温度特性曲线，即温度相关性下降，并且抖动显著减小。电路变得成本更适宜并且此外更不易被干扰，即相当于干扰鲁棒。此外有利地，线圈端子位于地上，使得线圈附加地为了测量也可以从外部通电。

有利地，为了确定有振荡能力的电系统中的振荡信号的频率：线圈和电流测量电阻电路之间的电路点上的电压交替地在两个值之间往复或切换，其条件是由此得出的线圈电流分别达到上或下阈值；并且切换频率用作振荡信号的频率。作为这两个值，在此在最简单的情况下可以使用额定电压和零或分开的电压供应。这是一种特别简单的用来实现这样的有振荡能力的系统的可能性。

有利的是，对应于线圈电流的测量电压和参考电压输送给比较器，并且其中比较器被用于通过控制半导体开关来切换线圈上的电压。这是一种简单的用来产生交替电压的可能性。测量电压通过电流测量电阻电路来产生。

替代于比较器，线圈上的电压的切换借助通过线圈电流控制的触发电路来进行。对此，可以使用开关、诸如晶体管，利用所述开关通过经由上升的和下降的线圈电流而交替地充电和放电的电容器来产生的交替的电压。也借此可以以简单的方式产生交替的电压并且量取线圈电流的频率。

优选地，通过以下方式从频率确定电枢的位置，即在考虑线圈的欧姆电阻的情况下从频率确定线圈的电感并且由该电感来确定位置。这特别是当线圈用作唯一的影响频率的部件和/或通过其他部件的频率影响是已知的时是可以的。在施加电压的情况下线圈中电流的上升和在电压为零或分开的电压供应的情况下电流的下降在此仅仅与线圈的欧姆或直流电阻和电感以及电流测量电阻电路的直流电阻有关。特别是该方法因此也与供应电压中的波动无关。电感越高，例如上升就越慢。因此在已知欧姆电阻的情况下，通过频率可以推断出线圈的电感。电感又与电枢相对于线圈的位置有关。在此，电感与电枢位置之间的关系例如可以保存在相应的表格中。因此，这是一种简单的用于确定电枢位置的可能性。对于详细的解释，在此应参考附图说明。

优选地，电流测量电阻电路能够具有至少两个不同的电阻值地来运行。特别是在切断电流之后，为了重新接通而等待接近零的电流值。线圈电流的时间曲线在该区域内是特别平坦的，使得电路中的噪声对触发比较器的时间点具有相对大的影响。在该情况下，如果因此没能测量到电流，则使用具有特别大电阻的电流测量电阻电路是适宜的，以便实现相应大的测量电压降。这通过较小的时间抖动来提高振荡电路的精度并且减小与测量电阻的公差（也关于温度）的相关性。振荡即使在下切换点（接近零）时也还是稳定的。简化比较器的设计。

优选地，电流测量电阻电路以至少两个不同的电阻值中的第一（较小的）电阻值运行，在此期间线圈电流达到上阈值，并且以至少两个不同的电阻值中的第二（较大的）电阻值运行，在此期间线圈电流达到下阈值。

在电阻值之间的切换例如可以价格适宜地通过利用第二半导体开关、例如MOSFET来桥接电阻来实现，该半导体开关的控制输入端可以与布置在主电流路径中的半导体开关的控制输入端连接。

有利地，电枢的位置包括以下位置，该位置对应于在没有线圈的使电枢运动的通电的情况下电枢的终点位置。在没有这样的使电枢运动的通电的情况下，电压（其频率被确定）不受影响，由此更精确的测量是可能的。通过该方式可以很简单地检查电枢的终点位置。此外，在此可以通过以下方式很简单地从频率确定电枢的位置，即所测量的频率与对应于在未通电状态下的电枢的终点位置的频率进行比较。在此，对应于电枢的该终点位置的频率例如可以针对电磁阀一次性地确定并且保存。此外，也可以考虑在通电状态下的终点位置的频率。在此应注意，对此不考虑以下电磁阀，所述电磁阀的安全状态（例如闭合）在完全通电的线圈的情况下存在。然而，这对于绝大多数应用情况来说并非是该情况，因为安全状态通常是未通电状态。

优选地，从电枢的位置确定与电枢连接的组件的位置。特别是用于控制电磁阀、特别是比例电磁阀的电磁执行器此外特别是用于液压应用，其中电枢与控制滑阀连接，并且在此从电枢的位置确定控制滑阀的位置。如开头已经提及的那样，在这样的电磁阀中经常对控制滑阀的准确位置感兴趣。通过以下方式可以很简单地从电枢的位置推断出组件或控制滑阀的位置，即考虑几何尺寸。

根据本发明的电路装置用于确定电磁执行器的电枢的位置，该电枢能够借助电磁执行器的线圈的通电而运动。电路装置在此具有：控制机构，该控制机构被设立用于控制具有线圈作为影响频率的元件的有振荡能力的系统；频率检测机构，该频率检测机构被设立用于确定以下频率，信号在有振荡能力的系统中以该频率振荡；和分析机构，该分析机构被设立用于从频率确定电枢的位置。特别是电路装置可以构造成，使得线圈是有振荡能力的电系统的唯一的影响频率的元件。

有利的是，控制机构还被设立用于在考虑线圈电流的情况下将线圈上的电压交替地在两个值之间往复或切换。因此，这样的电路装置是一种振荡器电路，其中线圈用作确定时间的元件。

优选地，电路装置还具有用来实施根据本发明的方法的机构。

关于根据本发明的电路装置和其根据本发明的应用的优点，为了避免重复，参考关于根据本发明的方法的上述实施方案。

本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。

易于理解的是，前面提及的和随后还要解释的特征能够不仅以分别说明的组合，而且以其他组合或单独地使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明借助实施例在附图中示意性示出并且在下文中参考附图来详细描述。

图1示意性示出一种电磁阀，在该电磁阀中能够实施根据本发明的方法。

图2示意性示出在一种优选的实施方式中的根据本发明的电路装置。

图3借助纯示意的电压曲线示出在一种优选的实施方式中的线圈上的电压按照根据本发明的方法的产生。

具体实施方式

在图1中示意性示出一种电磁阀101，在该电磁阀中能够实施根据本发明的方法。当前构造为比例阀的电磁阀101具有电磁执行器101，该执行器又具有线圈102和可在该线圈中运动的电枢103。

与电枢103连接有控制滑阀104，该控制滑阀可以在阀壳体106中往复运动。控制滑阀104借助弹簧105支撑于阀壳体106的末端。通过控制电磁执行器101来移动电枢103并且因此滑阀104挤压弹簧105。通过该方式可以改变电枢103或滑阀104的位置x。对此，线圈102的控制例如可以（通过在此未示出的端子）脉宽调制地进行。

通过滑阀104的运动，调节通过阀壳体106从端口A至端口B的流量。易于理解的是，这样的阀的端口也可以不同地设计。同样可以存在更多个由滑阀控制的端口。

在图2中示意性示出在一种优选的实施方式中的根据本发明的电路装置200。对于线圈102，当前示出其电感L和其欧姆或直流电阻R_L。线圈102与电流测量电阻电路RS和半导体开关（例如双极型晶体管）M1串联并且与供应电压端子V+连接。二极管D3用于防止在给线圈通电时到供应电压中的反馈。借助半导体开关M1将电压V2施加到线圈102上，该电压可以在两个值之间往复变换或切换。

电压V2当前通过半导体开关M1接通和断开。对此，半导体开关M1的控制输入端与调节电路230连接。调节电路230对于由控制机构210提供的电压（开关信号）起到稳定电压的作用，特别是也关于温度起到稳定电压的作用并且具有运算放大器K5。电路230的调节输入端与线圈和电流测量电阻电路RS之间的电路点连接，以便在那里调节电压V2的高度。

电阻电路RS当前具有两个电阻R23和R10的串联电路，其中电阻R10能够借助半导体开关（例如MOSFET）M2来桥接。半导体开关M2的控制输入端同样与调节电路230的输出端连接。

在电流测量电阻电路RS和半导体开关M1之间量取测量电压U_I并且将其输送给控制机构210。控制机构210具有比较器或比较装置K2，所述比较器或比较装置通过供应电压V+来供电并且在所述比较器或比较装置的非反相的输入端上施加参考电压U_R，该参考电压通过具有电阻R2和R3的分压器由供应电压V+产生并且通过电阻R1以其自身的输出电压进行反馈。

在比较器K2的反相输入端上，通过电阻R37施加测量电压U_I，该测量电压对应于在线圈102中流动的电流。通过该方式，以施密特触发器形式的控制机构210产生矩形信号，最后利用该矩形信号接通和切断半导体开关M1。

其余在图2中示出的并且还未提及的没有配备附图标记的电阻和电容在此可以合适地选择。在此特别是应该强调，在电路装置200中示出的电容器仅仅用于限制运算放大器或比较器的带宽并且不影响振荡的线圈电流的频率。

控制机构210控制半导体开关M1（在此作为纵向晶体管），使得该半导体开关给线圈102加载具有已知电压的矩形信号，该电压因此位于线圈102和电流测量电阻电路RS之间的电路点上。流经线圈102的电流也流经电流测量电阻电路RS。分析电流测量电阻电路上的电压。差值测量不是必需的，因为线圈102和电流测量电阻电路RS之间的电路点上的电压是已知的、即被调节的矩形电压。

电流测量电阻电路RS的上端子上的电压由被调节的矩形电压和通过电流引起的电压部分共同组成。该信号又可以直接提供到比较器K2上。开关阈值的大小确定适宜地被匹配成，使得考虑贯穿矩形电压的偏移量。不同于纯的分流电压测量，其中电压对应于电流并且因此可以直接进行比较，在根据本发明的优选实施方式中，在电流测量电阻电路的线圈侧上，通过运算放大器K5来调节矩形信号。电流测量电阻电路上的通过电流引起的电压降作为该矩形信号上的偏移量来出现。因此，在选择比较器阈值时，适宜地考虑一并测量的矩形信号。

在图3中借助纯示意的电压曲线示出电压V2的产生。在此，在两个图形中分别相对于时间t绘出电压U。

对应于线圈102中的线圈电流的测量电压U_I在此如解释的那样来确定。

如果现在例如初始在时间点t₀将电压U施加到线圈102上，则线圈电流I根据以下公式随着时间t而上升。

R_L在此表示线圈102的欧姆电阻。如果线圈电流I或对应于该线圈电流的测量电压U_I现在例如在时间点t₁达到上阈值U_R，2并且因此测量电压U_I超过参考电压，如在图3的上图中示出那样，则线圈上的电压通过比较器K2例如连接到零或地上并且线圈电流I根据以下公式下降：

。

在线圈电流I或对应于该线圈电流的测量电压U_I现在例如在时间点t₂达到下阈值U_R，1并且因此测量电压U_I低于现在更低的参考电压（该参考电压依赖于比较器的输出电压）之后，线圈上的电压V2又通过比较器K2连接到之前施加的电压上。对于图3应注意，如果两个电阻R2和R3等大地选择并且运算放大器是轨到轨类型，则具有两个极限值U_R，1和U_R，2的参考电压U_R在此围绕着一半的供应电压V+摆动。施密特触发器的迟滞现象的大小通过R1限定。

线圈电流I或在线圈上施加的电压V2以其来往复切换的频率例如可以利用在控制机构210或比较器K2的输出端上的频率检测机构260来量取并且被输送给分析机构270。在分析机构中，现在可以从频率间接（例如通过线圈102的电感L）或直接（例如通过与参考值的比较）地确定电枢103的位置x。

频率或频率的数量级在此可以通过合适选择参与电路装置的部件的大小而大致调节到所期望的值上。频率的最后测量的准确的值在此自然依赖于线圈的电感或电枢位置。

特别是在切断电流之后，为了重新接通而等待接近零的电流值。线圈电流的时间曲线在该区域内是特别平坦的，使得电路中的噪声对触发比较器的时间点具有相对大的影响。在该情况下，如果因此没能测量到电流，则使用具有特别大电阻的电流测量电阻电路是适宜的，以便实现相应大的测量电压降。这通过较小的时间抖动来提高振荡电路的精度并且减小与测量电阻的公差（也关于温度）的相关性。振荡即使在下切换点（接近零）时也还是稳定的。简化了比较器K2的设计。

因此，电阻电路RS当前具有两个电阻R23和R10的串联电路，其中电阻R10能够借助半导体开关（例如MOSFET）M2来桥接。由此可以在小电流时使用大的电阻（R23+R10）并且在大电流时使用小的电阻（仅R23）。至少在达到相应的切换点期间，应该相应地存在所期望的电阻。

半导体开关M2在所示出的优选实施方式中总是当电阻R23上的电压超过M2的阈值电压时才切换。因此，比较器阈值、R23和M2应该适应地确定大小，使得恰好当线圈电流（并且因此电压U_I）在比较器阈值附近时不进行切换。于是适用：在上比较器阈值处，利用由R23构成的测量电阻来测量（比较器阈值考虑贯穿矩形信号的偏移量）。在下比较器阈值处，利用由R23和R10构成的测量电阻来测量。

Claims

1.用于确定电磁执行器（101）的可运动电枢（103）的位置的方法，其中所述电枢能够借助电磁执行器（101）的线圈（102）的通电而运动，

其中半导体开关（M1）、电流测量电阻电路（RS）和所述线圈（102）串联，

其中所述电枢（103）的位置（x）在考虑在有振荡能力的电系统中的振荡信号的频率的情况下确定，其中所述线圈（102）用作有振荡能力的电系统的影响频率的元件，

其中在所述线圈（102）和所述电流测量电阻电路（RS）之间的电路点上的电位借助所述半导体开关（M1）调节到额定值上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中为了确定有振荡能力的电系统中的振荡信号的频率：所述线圈（102）上的电压交替地在两个值之间往复切换，其条件是由此得出的线圈电流（I）分别达到上或下阈值；并且切换频率用作振荡信号的频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中对应于所述线圈电流（I）的测量电压（U_I）和参考电压（U_R）输送给比较器（K2），并且其中所述比较器（K2）被用于切换所述线圈（102）上的电压。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述线圈（102）上的电压的切换借助通过所述线圈电流（I）控制的触发电路（310）来进行。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中通过以下方式从所述频率确定所述电枢（103）的位置（x），即在考虑所述线圈的欧姆电阻（R_L）的情况下从所述频率确定所述线圈的电感（L）并且由线圈的所述电感（L）来确定所述电枢（103）的位置（x）。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中所述电流测量电阻电路（RS）具有至少两个不同的电阻值地来运行。

7.根据至少引用权利要求2的权利要求6所述的方法，其中所述电流测量电阻电路（RS）以所述至少两个不同的电阻值中的第一电阻值运行，在此期间所述线圈电流（I）达到上阈值，并且其中所述电流测量电阻电路（RS）以所述至少两个不同的电阻值中的第二电阻值运行，在此期间所述线圈电流（I）达到下阈值。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中所述电枢（103）的位置（x）包括以下位置，所述位置对应于在没有线圈（102）的使所述电枢（103）运动的通电的情况下所述电枢（103）的终点位置。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中从所述电枢（103）的位置（x）确定与所述电枢（103）连接的组件（104）的位置（x'）。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其中用于控制电磁阀（100）、特别是比例电磁阀的电磁执行器（101）此外特别是用于液压应用，其中所述电枢（103）与控制滑阀（104）连接，并且其中从所述电枢（103）的位置（x）确定所述控制滑阀（104）的位置（x'）。

11.用于确定电磁执行器（101）的可运动电枢（103）的位置（x）的电路装置（200），所述电枢能够借助电磁执行器（101）的线圈（102）的通电而运动，其中半导体开关（M1）、电流测量电阻电路（RS）和所述线圈（102）串联，所述电路装置具有：

控制机构（210、230），所述控制机构被设立用于控制具有所述线圈（102）作为影响频率的元件的有振荡能力的电系统并且将所述线圈（102）和所述电流测量电阻电路（RS）之间的电路点上的电位调节到额定值上；

频率检测机构（260），所述频率检测机构被设立用于确定以下频率，信号在有振荡能力的系统中以所述频率振荡；和

分析机构（270），所述分析机构被设立用于从所述频率确定所述电枢（103）的位置（x）。

12.根据权利要求11所述的电路装置（200），其中所述控制机构（210、230）还被设立用于在考虑所述线圈电流（I）的情况下将所述线圈（102）上的电压（V2）交替地在两个值之间往复切换。

13.根据权利要求12所述的电路装置（200），其中所述控制机构（210、230）包括比较器（K2），所述比较器为了考虑所述线圈电流（I）以反相输入端连接到所述电流测量电阻电路（RS）上并且在所述比较器上在非反相的输入端上施加参考电压（U_R）。

14.根据权利要求11至13之一所述的电路装置（200），其中所述电流测量电阻电路（RS）能够具有至少两个不同的电阻值地来运行。

15.根据权利要求11至14之一所述的电路装置（200）用于实施根据权利要求1至10之一所述的方法的应用。