CN1286128C - 检测一个可电驱动的致动器的定位元件位置的方法、相应电路和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定一个可电驱动的致动器的定位元件位置(x)的方法，致动器借助于一个受控开关(18)在达到门限值下限(i1)时被开启和在达到门限值上限(i2)时被关断，其中根据门限值下限(i1)、门限值上限(i2)并根据定位元件位置(x)的致动器电切换性能形成一个开启持续期(tein)和一个关断持续期(taus)，并且定位元件位置(x)通过比较开启持续期(tein)或关断持续期(taus)与开启持续期(tein)和关断持续期(taus)之和(tein+taus)的比值以及开启持续期(tein)和关断持续期(taus)之和(tein+taus)与存储的相应参考数据进行比较而检测，本发明还涉及用于实现此方法的相应电路(24)和相应装置(12)，尤其是一个液压阀42。

Description

检测一个可电驱动的致动器的定位 元件位置的方法、相应电路和装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测一个可电驱动的致动器的定位元件位置的方法，以及相应的电路和装置，尤其是一个液压阀。
背景技术
这种方法的典型应用领域例如是电磁控制阀或开关。其中电磁铁的电感量取决于电枢的相应位置。因此电感量的测量原则上可以检测出电枢的位置。
DE4341797公开了用于控制电磁器具的一种方法和一种装置，它们主要用于燃烧型发动机中燃料测量领域。通过操纵磁阀门，确定喷射开始、喷射结束以及由此获得的喷射的燃料量。其中要求已知磁阀门的电枢抵达其终端位置的时刻。此切换时刻可以通过评估磁阀门电流随时间的变化而获得。为了降低能耗，DE4420282A1公开的方法在可检测切换时刻的时间窗中实现脉冲电压控制。
DE3326605A1公开了用于监测冲程位置及阀门磁铁的电枢位置的方法和电路。线圈由直流电流馈电，此直流电流具有交流分量。交流分量取决于电枢的位置，并从而取决于阀门位置，而且交流分量借助于一个高通滤波器引出到一个测量电阻上。
现有的方法存在以下的缺点：调节切换频率还取决于线圈的欧姆电阻，此电阻成比例地强烈与温度有关，因而温度作为干扰量影响确定电枢位置的输出信号。这种干扰影响应通过借助于测得的直流电流分量的电路技术手段进行补偿。
发明内容
根据上述原因，本发明提供一种方法以及相应的电路和装置，它们克服了现有技术的缺点。尤其是定位元件的位置可以很高的精度检测，尤其是在对温度影响有足够的补偿的情况下。本发明方法或相应电路和装置在生产和维护中是费用低廉的，并且保证持续可靠的运行。
上述现有技术中存在的问题由以下方法以及以下电路和装置来解决。
按照本发明，在检测可电驱动致动器——致动器借助于一个受控开关在达到门限值下限时被开启并在达到门限值上限时被关断，其中根据低门限值下限、门限值上限并根据定位元件位置x的致动器电切换性能形成开启持续期tein和关断持续期taus——的定位元件位置x的方法中存在的问题是这样解决的：定位元件位置x通过比较开启持续期tein或关断持续期taus与开启持续期tein和关断持续期taus之和tein+taus的比值，以及通过将开启持续期tein和关断持续期taus之和tein+taus与相应的存储参考数据进行比较而求出。
可电驱动的致动器例如可以是一个可电磁驱动的致动器，一个可压电驱动的致动器或者任意形式的基于电控信号产生机械运动的致动器，并且从而例如作为位置或切换元件作用于调节回路中。在本发明一个特殊实施方式中致动器的定位元件是电磁铁的电枢。电枢的运动可以平移和/或旋转地进行。在平移型运动中定位元件的调节行程可在十分之几毫米至几个厘米之间，甚至更大。
开启持续期及关断持续期与开启持续期和关断持续期之和的比值原则上可用模拟计算机形成，但是由于例如可靠性或费用的原因最好由数字电子计算单元完成。开启持续期和关断持续期可例如通过一个相应高频率脉冲的计数和必要时中央节拍脉冲的计数来确定，并且开启信号及关断信号被用作高频脉冲的转换信号。与存储的参考数据——它通常根据经验获得，例如借助于一个对相应结构型式是典型的致动器获得——的比较同样最好用电子计算单元完成。
开启持续期及关断持续期与开启持续期和关断持续期之和的比值可以表示为脉冲宽度比或节拍脉冲比，它不仅与致动器的定位元件位置x有关，而且通常也与装置的温度有关。在相应装置运行时典型的温度在50℃至100℃之间，并且可能取决于应用情况和环境温度，温度也可能高于或低于上述范围。
通常获得的比值与存储的参考数据的比较还不能保证以足够的精度确定定位元件的位置x。包含在比值中的温度影响例如可以通过一个安装在装置附近的温度传感器求出。当然最好通过开启持续期和关断持续期之和与相应参考数据的比较完成对温度影响的补偿。
例如基于检测的开启持续期和关断持续期之和，存储的参考数据对“位置x”和“温度T”——它们对应于检测的比值-确认某一对值为有效，为所述一对值存储与检测的和信号相关的相应的参考数据。必要时这里也可进行内插，以计算在两个检测的值或两个存储的值之间的中间值。
作为替代或补充，如下的比较是可能的，存储参数化的和反映相应致动器结构型式的公式，在其中测得的比值和和值被用作变量。主要在于，不仅比值，而且和值也参与定位元件位置的求取。
在本发明的一个特殊实施形式中定位元件控制一个阀，例如一个液压或气动阀。阀可以是一个切换阀或一个比例阀，例如一个用于无极调节可预定的流量或压力的调节阀。
受控开关可以是一个无触点的电子受控开关，例如一个晶体管，尤其是一个MOS晶体管。除了第一和第二电极之外，这种开关通常还具有第三个控制端，通过此控制端可用小的控制功率无磨损地且以小的损耗切换高的交换容量。
在电磁铁的情况下，电磁铁绕组的线圈电流被调整。对此线圈电流可以规定门限下限值和门限上限值，它们尤其可以是可调节的和/或可通过存储的程序来控制。这些门限值确定电磁铁的工作点。这些工作点的选择和门限值的差确定调节的振荡开关状态。为了监测是否到达门限值，一个其上流过线圈电流的电阻上的电压信号被评估。原则上绕组线圈的欧姆电阻也可考虑作为此电阻。然而最好利用一个与致动器，尤其是与绕组线圈串联的欧姆电阻，此电阻的一端最好位于评估控制装置的一个参考电位上，尤其是地电位上。
在本发明的一个特殊实施方式中由一个微控制器实现门限值的到达到，和/或开关的操控，和/或与参考数据的比较。其中尤其涉及少量或干脆单片的集成电路—此电路可完成输入信号的模/数转换和一个用于由开启持续期和关断持续期计算比值及求和，并且接着与存储的参考数据比较的计算单元。微控制器的输出信号可以是模拟的和/或以预定方式数字编码的，包括一个频率模拟信号的输出。而且微控制器也可产生所有相应有效标准所要求的自我诊断信号和故障信号，并且通过规定接口给出这些信号。
在本发明的一个特殊实施方式中，当接通致动器时保持电流被降低。这样不仅节省能量，而且降低机械和热负荷，并且不仅是相应装置的负荷，而且也降低了整个设备环境的负荷。保持电流的降低例如可以通过降低线圈额定电流，通过调节一个可规定的脉冲宽度比或通过类似方法实现。
在本发明的一个特征实施方式中当切换致动器时切换电流高于额定电流。这样在需要的情况下实现较快的切换动作。切换电流的提高例如可通过电阻的瞬间短路实现，此电阻与绕组线圈串联连接，或通过接通一个过电压或类似的方法实现。
本发明还涉及一种用于以电路实现上述方法的电路及带有这种电路的装置，尤其是一个液压阀。
在本发明的一个特殊实施方式中计算单元被设计为集成电路，其中信号处理主要或者全部数字化实现。由于设计成集成电路所导致的最小化，提供了电路安装在装置结构单元中的可能性。除了相应的可靠性和处理速度之外，尤其提供了电路在结构上非常接近地安装在致动器上的可能性。
如上面对本发明方法的说明，不仅求出定位元件的位置x，而且查明致动器，尤其是绕组线圈的温度T。温度检测可以不用独立的温度传感器。在某些应用情况下绕组线圈的温度基本相同于装置中介质的温度，例如液压阀中液体的温度，或者至少是完全能反映绕组线圈温度的。此外，如此检测的温度可以用来实现对电磁铁绕组线圈的过温保护。
附图说明
本发明的其它优点，特征和细节由下面的说明给出，下面借助附图详细说明一个实施例。其中所述的特征可单独出现或被任意组合。
图1示出在电枢的第一位置x1时电磁铁的线圈电流i随时间t的变化曲线i(t)，
图2示出在电枢的第二位置x2时的变化曲线i(t)，
图3示出图2电流变化曲线i(t)在低和高门限值i1及i2区域的放大图形，
图4示出本发明电路的一个实施例，以及
图5示出本发明装置一个剖面的简示图。
具体实施方式
图1示出本发明装置12(图5)的一个电磁铁的绕组线圈10的线圈电流i随时间t的变化曲线。在开启过程0＜t＜t1中额定电压Uo加在电磁铁上，由于绕组线圈的欧姆电阻为R，电流io的终值由io＝Uo/R给出。在关断过程t1＜t＜t2中额定电压Uo与绕组线圈10切断，并且产生一个指数衰减的电流i(t)。相应的时间常数τ由线圈电感量L与绕组线圈的欧姆电阻R之比值确定。对于图1所示i(t)曲线，设备温度T处于第一个值T1。
按图5所示本发明作为一个液压的比例阀42的装置12的实施例，电磁铁具有一个轴向运动的电枢14，电磁铁的电感量L取决于电枢14相对于绕组线圈10的位置x。对于第一位置x1线圈电感量为L1，由此电感量得到图1中的电流变化曲线i(t)。
利用图4所示电路可以调节绕组线圈10的一个电气工作点，方式是线圈电流i在测量电阻R1上产生的电压降被评估，在达到门限值下限i1时开关18被控制装置16开启。在达到门限值上限i2时开关18被关断。这样得到图1所示的线圈电流随时间变化曲线i(t)。开启持续期tein和关断持续期taus取决于门限值上限i1的选择、门限值下限i2的选择以及绕组线圈的电感量L，并且还取决于电枢14的位置x和绕组线圈的欧姆电阻R，此电阻又与绕组线圈10的温度有关。
图2示出在电枢14的第二位置x2时但在同样的温度下同一绕组线圈10的电流变化曲线i(t)。在此位置x2上电枢14进一步进入绕组线圈10中，因而电感量L＝L(x2)大于电枢14在位置x＝x1时的电感量L(x1)。
图2所示具有相应tein及taus与和tein+taus比值的电流变化曲线i(t)(见图3)也可以在同样的电枢14位置x＝x1，但相应提高了的温度T2＞T1的情况下得到。因而由改变了的电流变化曲线i(t)还不能明确推断出此改变是否由电枢14的位置x变化和/或由温度T的变化引起的。
图3示出图2所示电流变化曲线i(t)在下限及上限门限值i1及i2区域中的放大图形。在所示工作点下形成开启持续期tein和关断持续期taus。它们由控制装置16(图4)的一个电子计算单元20采集并进而被评估，首先形成开启持续期tein与开启持续期tein和关断持续期taus之和的比值。这个比值与存储在控制装置16中的一个电子存储器22中的参考数据进行比较。存储的参考数据是根据在一个或多个用于相应装置12的结构形式的典型样板经验获得的。参考数据可以固定地预先确定或可编程地可改变。例如一个只读存储器(ROM)或一个可编程的只读存储器(PROM，EPROM，EEPROM)被安装或可更换地插到控制装置16中。
此外控制装置16还形成和(tein+taus)，并且此和与相应的存储在电子存储器22中的参考数据进行比较。通过此比较它最好通过自动运行相应控制程序在程序控制下进行，控制程序同样可存储在电子存储器22中—不仅可检测装置12的电枢14的位置x，也可得到绕组线圈10的温度T。
在图4所示本发明电路24的实施例中开关18由MOS晶体管构成，它可以可忽略不计的小控制功率切换具有小的通过电阻的大的负荷。由绕组线圈10和测量电阻R1构成的串联电路并联连接一个自振荡二极管D。在达到稳定状态之后，例如接通后，控制装置16可例如通过一个预定的脉冲宽度比降低保持电流。为了快速的切换过程，控制装置16可以短时间提高切换电流，例如通过将测量电阻R1短路或通过短时间的过电压。最好应用微控制器或实现为微控制器的控制装置16除输出表示电枢14的位置x的信号44外，还可给出满足现有标准要求的自我诊断信号和/或故障信号46。图5以简示图示出本发明装置12的一个剖面。此实施例中考虑一个可电磁操控的液压比例阀42。最好是顺磁或反磁的电枢14在绕组线圈10区域中具有一个例如轴套形的套26，它最好是铁氧体-或铁-磁性的。在绕组线圈10的电流作用下电枢14受到一个抵抗安装在阀42中的力存储器28—它例如可由一个螺旋压缩弹簧构成—的作用的力。
电枢14具有一个孔30，它与阀42的输入和输出管道32，34相通，并且在实施例中与管道直对着。电枢14的位置x确定孔30的作用截面，并且从而确定通过阀42的液体流量36。在绕组线圈10不加电压的状态下电枢14处于关闭阀门的终端位置，构造在端侧并且最好为环形的法兰38装置处于一个最好同样是环形结构的装置面40上。

Claims (13)

1.检测一个可电驱动的致动器的定位元件位置x的方法，致动器借助于一个受控开关(18)在达到门限值下限i1时被开启和在达到门限值上限i2时被关断，其中根据门限值下限i1、门限值上限i2并根据定位元件位置x的致动器电切换性能形成一个开启持续期tein和一个关断持续期taus，并且定位元件位置x通过开启持续期tein或关断持续期taus与开启持续期tein和关断持续期taus之和tein+taus的比值以及开启持续期tein和关断持续期taus之和tein+taus与存储的相应参考数据进行比较而检测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，致动器的定位元件是电磁铁的电枢(14)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，定位元件是一个阀(42)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，门限值下限i1和门限值上限i2被预先设定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，门限值下限i1和门限值上限i2是可调整的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，门限值下限i1和门限值上限i2可通过所存储的程序来控制。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由一个微控器完成对是否达到门限值下限i1和门限值上限i2的监测、开关(18)的控制和与参考数据的比较。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了监测门限值下限i1和门限值上限i2是否达到，与致动器串联连接的电阻(R1)上的电压信号被评估。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在致动器接通时保持电流降低。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在切换致动器时切换电流高于额定电流。
11.用于检测一个可电驱动的致动器的定位元件位置x的电路(24)，致动器可借助于一个受控开关(18)在达到门限值下限i1时被开启并在达到门限值上限i2时被关断，其中根据门限值下限i1、门限值上限i2并根据定位元件位置x的致动器电切换性能形成一个开启持续期tein和一个关断持续期taus，并且可借助一个电子计算单元(20)测量采集开启持续期tein和关断持续期taus，可借助电子计算单元(20)通过比较开启持续期tein或关断持续期taus与开启持续期tein和关断持续期之和taus+taus的比值以及开启持续期tein和关断持续期taus之和tein+taus与存储的相应参考数据进行比较检测定位元件的位置x。
12.用于检测一个可电驱动的致动器的定位元件位置x的装置(12)，具有如权利要求11所述的电路(24)，其特征在于，所述电子计算单元(20)被设计成与该装置(12)相结合的集成电路，以形成一个结构单元。
13.如权利要求12所述的装置(12)，其特征在于，该装置(12)是一个液压阀。
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