CN109891527B - 用于对电磁执行器的机械接通过程的可测量性进行改进的方法和控制电路 - Google Patents

用于对电磁执行器的机械接通过程的可测量性进行改进的方法和控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明首先涉及一种用于对电磁执行器的机械接通过程(16)的结束时刻(13)的可测量性进行改进的方法。电磁执行器例如可以是切换阀。在电磁执行器中，能通过对电线圈通电来移动铁芯。能通过电子的控制电路向线圈加载线圈电压，以便通过线圈电流(01)对线圈通电。在方法的一个步骤中，实现了向电子的控制电路供应运行电压。在方法的另外的步骤中，实现了对布置在电子的控制电路中的电容器充电。根据本发明，使电容器放电，以便使线圈电压在机械接通过程(16)期间提高到大于运行电压的值。本发明还涉及一种用于驱控电磁执行器的电子的控制电路。

Description

用于对电磁执行器的机械接通过程的可测量性进行改进的方 法和控制电路
技术领域
本发明首先涉及一种用于对电磁执行器的机械接通过程的结束时刻的可测量性进行改进的方法。电磁执行器例如可以是切换阀。本发明还涉及一种用于驱控电磁执行器的电子的控制电路，其能够实现对电磁执行器的机械接通过程的结束时刻的改进的可测量性。
背景技术
US 2011/0163769 A1示出了一种用于识别由活性材料元件驱动的负载的至少一个中间的行程定位的方法。在该中间的行程定位中，材料元件经历负载变化。
由US 2005/0146408 A1公知了一种用于识别达到电磁切换阀的封闭定位的方法，其中，对在切换阀停用之后流动的电流进行评估。
DE 10 2013 213 329 A1教导了一种用于识别切换阀的工作方式的方法，该切换阀包括在线圈内延伸的磁心和阀体，该阀体借助磁心和通电的线圈沿轴向方向运动。
DE 10 2014 220 929 A1示出了一种用于驱控电感执行器的方法。在该方法中，在操作元件开始运动时给执行器线圈加载较大的电压。该电压依赖于操作元件的所要实现的速度来选择。
在DE 10 2013 201 134 A1中描述了一种用于运行电磁阀的方法，其中，在通电阶段期间分析用于对电磁阀通电的电流的时间变化曲线。
EP 0 091 648 A1示出了一种用于脉冲式激励的电磁阀的激励电路，该激励电路包括由晶体管、电容器和电阻器形成的定时器。
由DE 10 2014 200 184 A1公知了一种用于驱控喷射阀的方法和电路装置。根据该方法进行供电电压的时间上的同步，直到喷射阀完全打开或关闭。电路装置包括作为低通滤波器起作用的RC环节。
DE 10 2014 220 795 A1教导了一种用于预设流过电磁阀的电磁线圈的电流的方法。利用传感器检测电磁阀的关闭时刻。当识别到电磁阀过早关闭时，提高通过电磁线圈的电流。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于，对电磁执行器的机械接通过程的结束时刻的可测量性进行改进。
所提及的任务通过根据本发明的方法以通过根据本发明的控制电路来解决。
根据本发明的方法被用于对电磁执行器的机械接通过程的结束时刻的可测量性进行改进。在这方面，该方法形成了用于运行或用于控制电磁执行器的方法的一部分。电磁执行器优选是切换阀，其例如被用在汽车中、化学设备中、能源技术设备中、机器中或医疗技术设备中。切换阀尤其可以被构造成用于机动车的内燃机。优选地，切换阀被构造成用于对机动车辆的内燃机的进气阀进行液压控制。然而，电磁执行器也例如可以是磁力线圈(Hubmagneten)。
电磁执行器包括呈铁芯形式的电磁心和电线圈，在电线圈内部中优选布置该铁芯。能通过对电线圈通电来移动铁芯，从而将电能转换成机械能，并且使电磁执行器驱动要通过它来运动的元件。铁芯优选能在电线圈中在电线圈的轴向方向上移动。在铁芯上安装有执行器元件，通过铁芯移动该执行器元件。当执行器由切换阀形成时，执行器元件优选地是指阀体。铁芯可以由铁或由其他的铁磁性的材料构成。
为了移动铁芯，对线圈通电，为此，能通过电子的控制电路向电线圈加载线圈电压，由此在线圈中引起线圈电流。控制电路因此被用于运行电磁执行器。
在机械接通过程期间，铁芯从起始定位移动到最终定位中。只要执行器被机械切换，也就是只要施加线圈电压，铁芯就保持在最终定位。如果关断线圈电压，则发生机械关断过程。在机械关断过程中，铁芯从最终定位移回到起始定位中，为此，铁芯例如受到复位弹簧的驱动。当铁芯到达其最终定位时，得到了机械接通过程的通过根据本发明的方法能以改进的方式测得的结束时刻。
向电子的控制电路供应运行电压，从而由该运行电压实现对电磁执行器的馈电。
在根据本发明的方法的一个步骤中，对布置在电子的控制电路中的电容器充电。用于对电容器充电的能量取自运行电压。优选地，电容器被充电到大于运行电压的电容器电压。为此，优选使用升压变换器，其电感由执行器的线圈形成，而其电容由要充电的电容器形成。
在根据本发明的方法的另外的步骤中，电容器放电，以便在机械接通过程期间将线圈电压提高到大于运行电压的值。线圈电压的该提高尤其导致电流提升阶段的显着缩短，而机械接通过程可能仅略微缩短。在机械接通过程完全结束时，缩短的电流提升阶段允许更准确地评估在电流提升阶段之后的电流变化曲线。确定线圈电流的时间变化曲线，以便确定机械接通过程的结束时刻。从机械接通过程的被测得的结束时刻也可以推断出机械接通过程的持续时间。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，线圈电压在机械接通过程期间被提高，直到机械接通过程的被测得的结束时刻。因此，在被测得的结束时刻之后不发生电容器放电。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，线圈电压从机械接通过程开始就被提高。因此，电容器的放电始于机械接通过程的开始。当向线圈加载线圈电压时，机械接通过程开始。
在根据本发明方法的优选的实施方式中，机械接通过程期间的线圈电压的值至少是运行电压的一点五倍。在根据本发明的方法的另外的优选实施方式中，在机械接通过程期间的线圈电压的值至少是运行电压的三倍。在机械接通过程中，线圈电压的值可以高达运行电压的五倍或五倍以上。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，经充电的电容器的电容器电压至少是运行电压的一点五倍。在根据本发明的方法的另外的优选的实施方式中，经充电的电容器的电容器电压至少是运行电压的三倍。经充电的电容器的电容器电压可以高达运行电压的五倍或五倍以上。
根据本发明的方法尤其适用于运行电压固定且不会提高的应用。在移动式的应用中尤其如此，如例如用在从电池截取运行电压的机动车中。相应地，运行电压优选由电池电压形成。电池被用于为控制电路馈电，并且因此也用于运行执行器。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，线圈电流在通电期间首先在电流提升阶段中被提升。当线圈电压施加到电线圈上时，电流提升阶段开始。线圈电流在电流提升阶段期间优选地从零提升到最大电流值。可以给线圈电流的该提升叠加些许交流电分量。在达到最大电流值时，实现了电磁执行器的磁饱和。
紧随电流提升阶段之后优选是峰值电流阶段，在其中，线圈电流从由最大电流值形成的峰值电流阶段初始值下降到峰值电流阶段中间值，并从峰值电流阶段中间值上升到峰值电流阶段结束值。可以给线圈电流的下降和上升叠加些许交流电分量。紧随峰值电流阶段之后的是保持电流阶段，在其中，线圈电流下降直到保持电流值范围并保持在那里。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，时间上在峰值电流阶段之后有收尾阶段，其尤其是紧随保持电流阶段之后。通过关断线圈电压，即电关断电磁执行器得到收尾阶段的时间上的开始。在收尾阶段期间，线圈电流从收尾阶段起始电流值下降到零并上升到收尾阶段中间电流值，之后其从收尾阶段中间电流值下降到收尾阶段结束电流值。收尾阶段结束电流值优选为零。
机械接通过程优选地延伸直到峰值电流阶段中。优选在达到峰值电流阶段中间值时得到机械接通过程的结束时刻。优选地，测量达到峰值电流阶段中间值的时刻，以便将其用作机械接通过程的结束时刻。
优选地，当执行器机械关断并且没有线圈电压施加到线圈上时，对电容器充电。替选或补充地，优选在保持电流阶段开始时对电容器充电，与此同时线圈电流下降直到保持电流值范围中。替选或补充地，优选在收尾电流阶段开始时对电容器充电，与此同时线圈电流从收尾阶段初始电流值下降到零。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，电容器通过充电电流充电，充电电流经脉冲宽度调制。同样地，电容器通过放电电流放电，放电电流优选经脉冲宽度调制。
根据本发明的电子的控制电路被用于驱控电磁执行器。电磁执行器优选地是切换阀。电磁执行器包括形式为铁芯的磁心和电线圈，在电线圈内部中优选地布置该铁芯。能通过激励电线圈来移动铁芯。通过电子的控制电路向电线圈加载线圈电压，以便通过线圈电流对线圈通电。
电子的控制电路包括至少一个第一电子开关元件、电容器和二极管，它们互连，使得它们与要联接的线圈形成升压变换器。因此，可以将电容器充电到大于电子的控制电路的运行电压的电压。根据本发明的电子的控制电路优选地包括用于将要联接的线圈电接驳到电容器上的第二开关元件，从而使经充电的电容器能够经由线圈放电，并且可以使线圈电压提高到比运行电压更高的值。
第一开关元件优选由晶体管形成；特别优选由MOSFET形成。
电子的控制电路优选包括具有上MOSFET和下MOSFET的半桥电路。下MOSFET优选形成升压变换器的第一开关元件。
二极管优选由肖特基二极管形成。电容器优选由电解电容器形成。
半桥电路优选还包括电子的续流元件，其优选与上MOSFET互连。续流元件优选由MOSFET或肖特基二极管形成。
第二开关元件形成提高开关元件，这是因为其被用于将要联接的线圈电接驳到电容器上。第二开关元件优选由MOSFET形成。
根据本发明的电子的控制电路优选被构造成用于驱控或用于运行其中多个电磁执行器。为此，电子的控制电路包括多个分别用于多个电磁执行器中的一个电磁执行器的单独控制部。其中每个单独控制部包括其中一个第一开关元件和其中一个二极管。电容器可以供整个电子的控制电路使用，也就是说可以供其中每个单独控制部使用。其中每个单独控制部的第一开关元件和二极管和整个电子的控制电路的电容器互连，使得它们与要联接至各自的单独控制部的线圈一起形成升压变换器。除了电容器之外，优选第二开关元件还供整个电子的控制电路使用。第二开关元件互连，使得其被构造成用于将其中每个要联接的线圈接驳到电容器上，从而使经充电的电容器能经由各自的线圈放电。
根据本发明的控制电路优选被配置成用于执行根据本发明的方法。根据本发明的控制电路优选被配置成用于执行根据本发明的方法的优选的实施方式。此外，根据本发明的控制电路优选还具有结合根据本发明的方法及其优选的实施方式说明的特征。
附图说明
本发明的进一步的细节、优点和改进方案参考附图由下面对本发明优选实施例的描述得出。其中：
图1示出与现有技术相比的执行根据本发明的方法产生的线圈电流的时间变化曲线；
图2示出根据本发明所要执行的充电过程；
图3示出根据本发明的控制电路的优选的实施方式的电路图；
图4示出根据本发明的控制电路的另外的优选的实施方式的电路图；并且
图5示出根据本发明的控制电路的经修改的实施方式的电路图。
具体实施方式
图1示出了执行根据本发明的方法的优选的实施方式产生的线圈电流01的时间变化曲线与根据现有技术的线圈电流02的时间变化曲线的比较。线圈电流01在电磁执行器(未示出)的电线圈03(图3中所示)中流动，铁芯(未示出)在该电线圈中运动。电磁执行器尤其是切换阀。
在通过线圈电压对线圈03(图3中所示)进行加载之后，线圈电流01、02在电流提升阶段04、05期间提升，并且经过峰值电流阶段06、07，紧接着，其保留在保持电流阶段08中直到通过线圈电压进行的加载结束。在通过线圈电压进行的加载之后紧接着的是收尾电流阶段09(图2中所示)。
根据本发明，线圈电压在电流提升阶段04中提高到大于运行电压的值，从而使得线圈电流01的峰值电流阶段初始值11比根据现有技术的线圈电流02的峰值电流阶段初始值12更早地达到。线圈电流01随后在峰值电流阶段06中下降到峰值电流阶段中间值13。以相同的方式，根据现有技术，线圈电流02下降到峰值电流阶段中间值14。在达到峰值电流阶段中间值13、14时，机械接通持续时间16完成，这是因为执行器(未示出)的机械接通过程结束，并且执行器处于打开状态下。根据本发明实现的峰值电流阶段中间值13时间上仅略微早于根据现有技术实现的峰值电流阶段中间值14，从而通过本发明几乎不改变机械接通持续时间16。然而，根据本发明实现的峰值电流阶段初始值11时间上却明显早于根据现有技术的峰值电流阶段初始值12。因此根据本发明实现的用于识别峰值电流阶段中间值13的探测时间17明显要比根据现有技术实现的用于探测检测峰值电流阶段中间值14的探测时间18要长，从而可以更准确地确定机械接通持续时间16。根据现有技术实现的用于探测峰值电流阶段中间值14的探测时间18非常短并且导致在确认达到峰值电流阶段中间值14的时刻时的较大的不准确性，从而相应并不准确地测量机械接通持续时间16。
因此，峰值电流阶段中间值13的时刻是机械接通持续时间16的结束时刻。
在电流提升阶段03中根据本发明的线圈电压提升到高于运行电压的值是通过使电容器20放电(图3中所示)来实现的。在图2中更详细地阐述了电容器20的充电。
图2示出了根据本发明优选执行的用于对电容器20(图3中所示)充电的充电过程的时间阶段。首先，如图1中所示，示出了线圈电流01的时间变化曲线。尤其示出了电流提升阶段04、峰值电流阶段06、保持电流阶段08和收尾电流阶段09，它们都处于切换阶段21中，在该切换阶段中，执行器(未示出)被机械接通、保持和关断。一旦完成了对执行器的关断并且线圈电流01保持不变为零，跟随切换阶段21之后就是息止阶段22。
示出了第一充电阶段23、第二充电阶段24和第三充电阶段26，它们根据本发明优选替选地或共同地被用于对电容器20(图3中示出)充电。第一充电阶段23处于保持电流阶段08开始时，在此期间线圈电流01下降。第二充电阶段24处于收尾电流阶段09开始时，在此期间线圈电流01下降到零。第三充电阶段26处于息止阶段22。在第三充电阶段26中示出了用于对电容器20充电的充电电流27的时间变化曲线(图3中所示)。充电电流27是经脉冲宽度调制的。
图3示出了根据本发明的控制电路的优选的实施方式的电路图，该控制电路被构造成用于实施图1和2中所示的方法。控制电路通过电池30供电。因此，电池的电压是运行电压。与电池30并联有支持电容器31。如也由现有技术中所公知的那样，控制电路包括具有上MOSFET 32和下MOSFET 33以及续流MOSFET 34的半桥电路。下MOSFET 33经由分流器36接地。根据本发明，控制电路还包括肖特基二极管38和形式为电解电容器的电容器20，它们与下MOSFET 33和线圈03形成升压变换器，该升压变换器也可以被称为DC-DC变换器。控制电路，尤其是下MOSFET 33被驱控，使得电容器20上的电容器电压是电池电压的至少一点五倍。
控制电路还包括提高MOSFET 39，利用该提高MOSFET，可以将电容器20的相对电池电压提高了的电容器电压20接驳到线圈03上。
由于电容器20的电容器电压变得高于电池30的电池电压，所以控制电路在电池30前面包括另外的二极管41。
图4示出了根据本发明的控制电路的另外的优选的实施方式的电路图。该实施方式被构造成用于运行其中多个电磁执行器(未示出)，从而使其中多个线圈03被通电。为此，电子的控制电路包括多个单独控制部43，以用于分别对电磁执行器(未示出)的其中一个线圈03通电。其中每个单独控制部43均包括上MOSFET 32、下MOSFET 33、续流MOSFET 34、分流器36和肖特基二极管38，如图3所示的实施方式那样。仅存在唯一的电容器20和唯一的提高MOSFET 39，这是因为它们被用于所有的单独控制部43。
图5示出了根据本发明的控制电路的经修改的实施方式的电路图。该实施方式相比图4中所示的实施方式做了如下方面的修改，即，其具有续流肖特基二极管46来代替续流MOSFET 34。
附图标记列表
01 线圈电流
02 线圈电流
03 电线圈
04 电流提升阶段
05 电流提升阶段
06 峰值电流阶段
07 峰值电流阶段
08 保持电流阶段
09 收尾电流阶段
10 -
11 峰值电流阶段初始值
12 峰值电流阶段初始值
13 峰值电流阶段中间值/接通过程的结束时刻
14 峰值电流阶段中间值/接通过程的结束时刻
15 -
16 机械接通持续时间
17 探测时间
18 探测时间
19 -
20 电容器
21 切换阶段
22 息止阶段
23 第一次充电阶段
24 第二次充电阶段
25 -
26 第三次充电阶段
27 充电电流
28 -
29 -
30 电池
31 支持电容器
32 上MOSFET
33 下MOSFET
34 续流MOSFET
35 -
36 分流器
37 -
38 肖特基二极管
39 提高MOSFET
40 -
41 二极管
42 -
43 单独控制部
44 -
45 -
46 续流肖特基二极管

Claims (10)

1.用于对电磁执行器的机械接通过程(16)的结束时刻(13)的可测量性进行改进的方法，其中，在所述电磁执行器中，能通过对电线圈(03)通电来移动铁芯，能通过电子的控制电路向所述电线圈加载线圈电压，以便通过线圈电流(01)对线圈(03)通电；并且其中，所述方法包括以下步骤：
-向所述电子的控制电路供应运行电压；
-对布置在所述电子的控制电路中的电容器(20)充电；并且
-使所述电容器(20)放电，以便使所述线圈电压在机械接通过程(16)期间提高到大于所述运行电压的值，
所述线圈电流(01)在通电期间在电流提升阶段(04)中上升，紧随所述电流提升阶段之后是峰值电流阶段(06)，在所述峰值电流阶段中，所述线圈电流(01)从峰值电流阶段初始值(11)下降到峰值电流阶段中间值(13)，达到所述峰值电流阶段中间值(13)的时刻为所述机械接通过程(16)的结束时刻(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述电容器(20)充电到比所述运行电压更大的电容器电压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述线圈电压的值在机械接通过程(16)期间至少是所述运行电压的一点五倍。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述运行电压由电池电压形成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述峰值电流阶段，所述线圈电流进一步从所述峰值电流阶段中间值(13)上升到峰值电流阶段结束值，其中，紧随所述峰值电流阶段(06)之后是保持电流阶段(08)，在所述保持电流阶段中，所述线圈电流(01)下降到保持电流值范围，并且其中，紧随所述保持电流阶段(08)之后是收尾电流阶段(09)，在所述收尾电流阶段中，所述线圈电流(01)从收尾电流阶段初始电流值下降到零。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述机械接通过程(16)与所述电流提升阶段(04)一起开始，并且延伸直到所述峰值电流阶段(06)中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述保持电流阶段(08)开始时对所述电容器(20)充电，与此同时所述线圈电流(01)下降到保持电流值范围内，并且/或者在所述收尾电流阶段(09)开始时对所述电容器(20)充电，与此同时所述线圈电流(01)下降到零。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述执行器机械关断时，对所述电容器(20)充电。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过充电电流(27)对所述电容器(20)充电，并且后面通过放电电流使所述电容器(20)放电，其中，所述充电电流(27)和/或所述放电电流经脉冲宽度调制。
10.用于驱控电磁执行器的电子的控制电路，所述控制电路用于执行根据权利要求1至9中的任一项所述的用于对电磁执行器的机械接通过程(16)的结束时刻(13)的可测量性进行改进的方法，其中，所述控制电路包括第一电子开关元件(33)、电容器(20)和二极管(38)，所述第一电子开关元件、电容器和二极管互连，使得它们与要联接的线圈(03)一起形成升压变换器。
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