DE102007023189A1

DE102007023189A1 - Schaltungsanordnung zur Stromregelung einer Ventilspule

Info

Publication number: DE102007023189A1
Application number: DE200710023189
Authority: DE
Inventors: Michael Haug; Wolfgang Gscheidle; Markus Deeg; Dieter Wörner; Markus Schöneck
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20
Also published as: US8649152B2; US20100154903A1; WO2008141735A1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Widerstands einer Spule eines Magnetventils beschrieben, mit zumindest einem Magnetventil (MV1 bis MVn) mit zumindest einer anzusteuernden Ventilspule, einer Stromquelle (Iconst) zum Einprägen eines Stroms in die zumindest eine Ventilspule und Erzeugen eines Spannungsabfalls an der zumindest einen Ventilspule, und einer Auswerteschaltung zum Ausgeben des an der zumindest einen Ventilspule erzeugten Spannungsabfalls als Ausgangssignal (UMess) der Schaltungsanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung einer Ventilspule, und bezieht sich insbesondere auf eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung einer Ventilspule eines Magnetventils durch Temperaturkompensation und Erfassung des Absolutwerts des Innenwiderstandes.
Zur Ansteuerung von Magnetventilen wird ein möglichst genau bekannter, durch deren Ventilspule fließender Strom, idealer Weise ein konstanter Strom, benötigt.
Soll eine Stromregelung für die Ansteuerung eines Magnetventils zum Einsatz kommen, kann eine solche mittels einer relativ aufwändigen Schaltungsanordnung verwirklicht werden, welche deshalb keine kostengünstige Lösung darstellt.
Andere bekannte, dem vorstehenden Zweck dienende Verfahren und Vorrichtungen beruhen auf einer Widerstandsmessung über Widerstandsteiler oder Widerstands-Brückenschaltungen oder Messverfahren mit Wechselspannungen und/oder Wechselströmen.
Anstelle einer Stromregelung kann auch eine Stromsteuerung eingesetzt werden, mittels welcher der durch das Ventil fließende Strom in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsparametern gesteuert wird, und welche eine ähnlich gute Regelgüte des Stromes aufweisen kann, wie sie von einer Stromregelung bekannt ist. Hierzu können beispielsweise auch mehrdimensionale Kennfelder im Zusammenhang mit einer Mikrocontrollersteuerurig zur Anwendung kommen.
Als Parameter für die Stromsteuerung gehen beispielsweise die Versorgungsspannung U_B und die Temperatur der Ventilspule in den Strom mit ein. Die Erfassung der Versorgungsspannung kann hierbei zum Beispiel über einen Widerstandsteiler erfolgen. In diesem Fall ist jedoch die Messung der Temperatur der Spu le aufwändig, da diese den Innenwiderstand R_cu der Spule gemäß der Gleichung R_cu = R₂₀ × (1 + α × ΔT) beeinflusst. Da die in Rede stehenden Spulen zumeist einen geringen Innenwiderstand von einigen Ohm aufweisen, ist daher eine Messung der Temperatur der Spulen über Widerstandsteiler oder Widerstandsbrücken in der Regel nicht durchführbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung einer Ventilspule eines Magnetventils bereitzustellen, welche ein kostengünstiges Messverfahren ohne Einschränkungen durch elektrische Daten der Ventilspule erlaubt und gleichzeitig eine gute Regelgüte und Regelgenauigkeit bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
Somit wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Widerstands einer Spule eines Magnetventils, gekennzeichnet durch:

– zumindest ein Magnetventil mit zumindest einer anzusteuernden Ventilspule;
– eine Stromquelle zum Einprägen eines Messstroms in die zumindest eine Ventilspule und Erzeugen eines Spannungsabfalls an der zumindest einen Ventilspule; und
– eine Auswerteschaltung zum Ausgeben des an der zumindest einen Ventilspule erzeugten Spannungsabfalls als Ausgangssignal der Schaltungsanordnung.

Hierbei ist die Stromquelle bevorzugt eine schaltbare Konstantstromquelle, die einen konstanten Strom zwischen einprägt. Hierdurch wird zur Ansteuerung von Magnetventilen ein genau bekannter und konstanter durch die Ventilspule fließender Strom bereitgestellt.
Wenn eine Vielzahl von Magnetventilen vorhanden sind, die parallel verschaltet und an einem gemeinsamen Knotenpunkt der Schaltungsanordnung mit der Stromquelle verbunden sind, ist die Schaltungsanordnung vorteilhaft skalierbar und an die Eigenschaften der anzusteuernden Ventilspulen anpassbar.
Falls die Auswerteschaltung, oder ein Ausgangsabschnitt, einen Operationsverstärker umfasst, kann vorteilhaft die an dem gemeinsamen Knotenpunkt der Schaltungsanordnung liegende Spannung um einen vorbestimmten Faktor verstärkt und geeignet als das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ausgegeben und weiter verarbeitet werden.
Schaltvorgänge in der Schaltungsanordnung erfolgen bevorzugt durch Halbleiterrelais zum Schalten der Stromquelle und des zumindest einen Magnetventils, beispielsweise mittels einem n-Kanal-Feldeffekt-Transistor (FET).
In besonders vorteilhafter Weise wird durch die Schaltungsanordnung der Momentanwert des Absolutwiderstands der anzusteuernden, zumindest einen Ventilspule erfasst, welcher sich aus dem von der Temperatur abhängigen Widerstand der zumindest einen Ventilspule und einer Exemplarstreuung des Widerstands der zumindest einen Ventilspule zusammensetzt, so dass eine in einer Serienfertigung schwer zu realisierende, einen Offsetabgleich erfordernde Temperaturerfassung entfallen kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt die einzige
1 eine vereinfachte, ausschnittsweise Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Stromregelung einer Ventilspule gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Im Einzelnen sind in 1 Magnetventile MV1 bis MVn dargestellt, die z. B. an einem gemeinsamen Summenpunkt zusammengeschaltet sind und in deren Ventilspulen mittels der vorgeschlagenen Stromregelung ein möglichst genau bekannter, idealer Weise konstanter Strom einzuprägen ist. Die einzelnen Magnetventile MV1 bis MVn bzw. deren Ventilspulen sind an einem ihrer Anschlüsse zum Beispiel über jeweilige Halbleiter relais mit einem Massepotenzial der Schaltungsanordnung verbunden.
Ferner sind die einzelnen Magnetventile MV1 bis MVn bzw. deren Ventilspulen an einem anderen ihrer Anschlüsse an einem gemeinsamen Knotenpunkt der Schaltungsanordnung verbunden, in welchen des Weiteren ein Anschluss (Drain) eines weiteren Halbleiterrelais bzw. Hauptschalters SSR1, ein Anschluss einer Konstantstromquelle Iconst, welche beispielsweise eine schaltbare Konstantstromquelle ist, die einen konstanten Strom I_const unterhalb eines Anzugs- und Haltestroms liefert, und ein Anschluss eines Widerstands R4 münden. Der gemeinsame Knotenpunkt ist über einen Widerstand R1 an einen Eingang (+) eines Operationsverstärkers OP1 geführt.
Ein weiterer Anschluss des Halbleiterschalters SSR1 liegt ebenso wie ein weiterer Anschluss der Konstantstromquelle Iconst an einer Versorgungsspannung UB der Schaltungsanordnung.
Zur Spannungsverstärkung des Spannungsabfalls an der bzw. den Ventilspule(n) der Magnetventile MV1 bis MVn durch den Operationsverstärker OP1 ist ein weiterer Anschluss des Widerstands R4 mit einem Anschluss (Source) eines nochmals weiteren Halbleiterschalters SSR2 verbunden, dessen Drain-Anschluss gemeinsam mit einem Anschluss eines Widerstands R3 auf dem Massepotenzial liegt. Der andere Anschluss des Widerstands R3 ist an einen weiteren Eingang (–) des Operationsverstärkers OP1 geführt und gleichzeitig mit einem Anschluss eines Widerstands R2 verbunden, dessen anderer Anschluss wiederum an den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 geführt ist, an welchem auch die einem (nicht gezeigten) Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung zuzuführende, gegebenenfalls verstärkte Ausgangsspannung UMess der Schaltungsanordnung ausgegeben wird.
Der verwendete Operationsverstärker kann einer gewünschten Spannungsverstärkung entsprechend gewählt werden, wodurch sich dem entsprechend auch Werte für die Widerstände R1 bis R4 zu dessen äußerer Beschaltung ergeben.
In Übereinstimmung mit dem zugrunde liegenden, wesentlichen Prinzip kommt in der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zur Widerstandsmessung einer Ventilspule somit eine zuschaltbare Stromquelle Iconst, bevorzugt eine Konstantstromquelle, zur Anwendung, deren Strom I_const durch die Ventilspule(n) fließt und dort einen Spannungsabfall erzeugt, der gemäß der Gleichung U_cu = R_cu × I_const proportional zu dem Messstrom und dem Widerstand der Ventilspule(n) ist.
Diese Spannung wird mittels dem Operationsverstärker OP1 gegebenenfalls noch um einen gewünschten Faktor V auf die Spannung UMess verstärkt und danach einem Mikrocontroller zugeführt, welcher aus dem ihm zugeführten Spannungswert UMess sodann einen entsprechenden Steuerstrom für das bzw. die Ventil(e) berechnet und einstellt.
Die beschriebene Schaltung erfasst somit insgesamt einen Momentanwert des Absolutwiderstands der Ventilspule, welcher sich aus dem temperaturabhängigen Widerstand und der Exemplarstreuung des Spulenwiderstandes zusammensetzt. Die Messung des momentan aktuellen Absolutwiderstandes der Ventilspule ist hinreichend, um eine entsprechend korrigierte Ansteuerung der Ventilspule zu realisieren, welche zu einer konstanten Anzugskraft derselben führt.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung führt zusammenfassend zu den folgenden Vorteilen:

– Es erfolgt eine Messung mit Gleichstrom und nicht mit Wechselstrom;
– die Schaltungsanordnung ist mit Standardbauteilen kostengünstig herzustellen;
– es ist eine Messung einzelner Spulentemperaturen mehrerer Ventile innerhalb von Ventilblöcken möglich
– es ist kein zusätzlicher Temperatursensor erforderlich;
– aufgrund des Messverfahrens direkt in der Spule kommt es zu keiner Verfälschung des Messergebnisses;
– es ist eine Erkennung eines Windungsschlusses der Ventilspule möglich; und
– die Schaltungsanordnung ist skalierbar und an Eigenschaften der Spule des Magnetventils (Anzugs-/Haltestrom) anpassbar.

Strukturelle Anordnungen, die der der hierin detailliert beschriebenen ähnlich sind, sind nicht als Abweichen von dem Gegenstand der Erfindung wie in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert zu werten.

OP1: Operationsverstärker
R1 bis R4: Widerstände
SSR1: Hauptschalter
T1/D1 bis Tn/Dn: Magnetventil-Endstufen
MV1 bis MVn: Magnetventile
Iconst: Konstantstromquelle
UB: Versorgungsspannung
UMess: Ausgangsspannung

Claims

Schaltungsanordnung zur Erfassung des Widerstands einer Spule eines Magnetventils, gekennzeichnet durch: – zumindest ein Magnetventil (MV1 bis MVn) mit zumindest einer anzusteuernden Ventilspule; – eine Stromquelle (Iconst) zum Einprägen eines Stroms in die zumindest eine Ventilspule und Erzeugen eines Spannungsabfalls an der zumindest einen Ventilspule; und – eine Auswerteschaltung zum Ausgeben des an der zumindest einen Ventilspule erzeugten Spannungsabfalls als Ausgangssignal (UMess) der Schaltungsanordnung.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (Iconst) eine schaltbare Konstantstromquelle ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Konstantstromquelle einen konstanten Strom unterhalb eines Anzugs- und Haltestroms in die zumindest eine Ventilspule einprägt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Magnetventilen (MV1 bis MVn) bereitgestellt sind, die parallel verschaltet und an einem gemeinsamen Knotenpunkt der Schaltungsanordnung mit der Stromquelle (Iconst) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen Operationsverstärker (OP1) umfasst, der die an dem gemeinsamen Knotenpunkt der Schaltungsanordnung liegende Spannung um einen vorbestimmten Faktor (V) verstärkt und als das Ausgangssignal (UMess) der Schaltungsanordnung ausgibt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Halbleiterrelais (SSR1, T1/D1 bis Tn/Dn) zum Schalten der Stromquelle (Iconst) und des zumindest einen Magnetventils (MV1 bis MVn).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Halbleiterrelais (SSR1, T1/D1 bis Tn/Dn) einen selbstsperrenden n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (T1 bis Tn) umfassen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentanwert des Absolutwiderstands der anzusteuernden, zumindest einen Ventilspule erfasst wird, welcher sich aus dem von der Temperatur abhängigen Widerstand der zumindest einen Ventilspule und einer Exemplarstreuung des Widerstands der zumindest einen Ventilspule zusammensetzt.