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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines
Ankers eines elektrischen Linearstellglieds, insbesondere eines
Linearstellers, das eine Spule aufweist, in der sich der Anker entlang
eines Linearwegs bewegen kann.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position
eines Ankers eines elektrischen Linearstellglieds, insbesondere
eines Linearstellers, das eine Spule aufweist, in der sich der Anker
entlang eines Linearwegs bewegen kann.
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Stand der Technik
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Linearstellglieder
sind bekannt. Diese werden unter Anderem zunehmend im Kraftfahrzeug
für die
Ansteuerung von Aktuatoren eingesetzt. Sie basieren auf dem Grundprinzip
eines Ankers, der in einer von Strom durchflossenen (Magnet-)Spule
entlang eines Linearwegs, also linear, bewegbar ist. Der Anker nimmt
dabei eine Position ein, die sich aus der Differenz der Kraft der
Spule und einer, zum Beispiel durch eine mechanische Feder definierte
Gegenkraft bestimmt. Die Position des Ankers wird durch Stellen eines
effektiven Spulenstroms bestimmt, indem eine Gleichspannung als
Pulsweitenmodulations-Signal über einen
elektronischen Schalter an die Spule angelegt wird.
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Im
Betrieb eines derartigen Linearstellglieds ist es vorteilhaft, wenn
die Position des Ankers bekannt ist. Beispielsweise ist zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
des Linearstellglieds eine Bestimmung der Ankerposition erforderlich.
Bei bekannten Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen wird zur Erfassung
der Ankerposition ein Wegsensor verwendet, der mit dem Anker gekoppelt
ist und ein der Position des Ankers entsprechendes Signal ausgibt.
Jedoch führt
dies zu erhöhten
Kosten sowie zu einem erhöhten
Bauraumbedarf.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass zur Bestimmung der Position eines Ankers eines elektrischen
Linearstellerglieds die Position des Ankers aus dem Verlauf des
Spulenstroms ermittelt wird. Eine (Magnet-)Spule eines derartigen
Linearstellers wird durch ihren Widerstand und ihre Induktivität beschrieben.
Dabei ist die Induktivität
der Spule abhängig
von der Position des Ankers in der Spule. Befindet sich der Anker
beispielsweise nur wenig eingetaucht in die Spule, so ist ihre Induktivität relativ gering.
Mit einem weiteren Eintauchen des Ankers in die Spule nimmt die
Induktivität
zu. Da die Induktivität der
Spule weiterhin vom Strom abhängt,
wird durch Erfassen des Stromes auf die Induktivität und damit auf
einfache Art und Weise auf die Position des Ankers in der Spule
geschlossen. Ein mit dem Anker gekoppelter Wegsensor ist hierfür nicht
notwendig. Stattdessen genügt
ein Stromsensor, der wesentlich kleiner und kostengünstiger
ist.
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Vorteilhafterweise
wird der Stromverlauf hinsichtlich seiner Änderungsgeschwindigkeit für die Positionsbestimmung
des Ankers ausgewertet. Mit jedem Flankenwechsel des Pulsweitenmodulations-Signals
in der Spule wird eine Änderung
des Stromflusses erzwungen, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des
Stroms in der Spule im Wesentlichen durch ihre Induktivität bestimmt
wird. Je größer die
Induktivität
ist, desto geringer ist die Änderungsgeschwindigkeit
des Stroms durch die Spule. Somit kann auf einfache Art und Weise
auf die Induktivität der
Spule und damit auf die Position des Ankers in der Spule geschlossen
werden.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Änderungsgeschwindigkeit
des Stromes bei zumindest einem Flankenwechsel des Pulsweitenmodulations-Signals
für die
Positionsbestimmung ermittelt wird. Besonders bevorzugt wird die Änderungsgeschwindigkeit
des Stromes fortlaufend für
jede Pulsweitenmodulations-Periode bestimmt. Ist die Pulsweitenmodulations-Periode
klein gegenüber
der mechanischen Zeitkonstante des Stellgliedes, wenn sich also
die Ankerposition über
mehrere Pulsweitenmodulations-Perioden nur wenig ändert, erfolgt
zur robusteren Schätzung
der Induktivität
vorteilhafterweise eine Mittelwertbildung. Vorteilhafterweise werden
durch Kalibrierung in einem einmalig erstellten Kennfeld für verschiedene
Ankerpositionen die entsprechenden Stromänderungsgeschwindigkeiten hinterlegt,
sodass im Betrieb besonders schnell in Abhängigkeit von der aktuellen Änderungsgeschwindigkeit
des Stromes die Position des Ankers in der Spule bestimmt werden
kann. Das Kennfeld wird vorteilhafterweise in einem nichtflüchtigen
Speicher, insbesondere des Linearstellglieds und/oder eines das
Linearstellglied ansteuernden Steuergeräts, hinterlegt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung der Position des Ankers des elektrischen Linearstellerglieds,
insbesondere Linearstellers, welches die Spule aufweist, in der
sich der Anker entlang eines Linearwegs bewegt, weist eine Ansteuervorrichtung,
die die Spule mit einem elektrischen Pulsweitenmodulations-Signal
ansteuert und eine Ermittlungsschaltung auf, die die Position des
Ankers aus dem Verlauf des Spulenstroms ermittelt, wobei der Spulenstrom
mittels eines Sensors erfasst wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ermittlungsschaltung zur
Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit
des Stromes ausgebildet.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Ermittlungsschaltung zur Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit
des Stromes zumindest einen Messwiderstand (RM)
als Sensor und/oder einen Operationsverstärker und/oder einen Analog-Digitalwandler aufweist.
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Vorteilhafterweise
weist die Vorrichtung zumindest einen Mikrocontroller zur Ansteuerung
der Spule mit dem Pulsweitenmodulations-Signal auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden.
Dazu zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Linearstellers,
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild einer vorteilhaften Vorrichtung zur Bestimmung
der Ankerposition,
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3 einen
typischen Signalverlauf und
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4 Stromänderungsgeschwindigkeiten unterschiedlicher
Induktivitäten
und Tastverhältnisse.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Linearstellglied 1,
das eine Spule 2 aufweist, in der ein Anker 3 entlang
eines Linearwegs bewegbar ist. Der Anker 3 ist mit einem
elastischen Federelement 4 gekoppelt, das als Zugfeder
oder Druckfeder ausgebildet ist. Die Spule 2 des Linearstellglieds 1 ist
mit einer Ansteuervorrichtung 5 verbunden, die durch Stellen
eines effektiven Spulenstroms die Ankerposition steuert. Dazu weist
die Ansteuervorrichtung 5 eine Gleichspannungsquelle 6 sowie
einen elektronischen Schalter 7 auf, der als Mikrocontroller 8 ausgebildet
ist. Der Mikrocontroller 8 erzeugt ein Pulsweitenmodulations-Signal 9 – hier sinnbildlich
dargestellt – welches
die Ankerposition in der Spule 2 bestimmt. Der Anker 3 nimmt
dabei eine Position ein, die sich aus der Differenz der Kraft der erregten
Spule 2 und der durch das Federelement 4 definierten
Gegenkraft ergibt.
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Für die Regelung
des Linearstellglieds 1 ist die Kenntnis der Ankerposition
vorteilhaft. Selbst ohne die Notwendigkeit einer Regelung ist für eine Diagnose
der Funktionsfähigkeit
eine Bestimmung der Ankerposition in der Spule 2, zum Beispiel
das Erreichen einer Start- und einer Endposition, erforderlich. Üblicherweise
wird zum Erfassen der Ankerposition ein Wegsensor verwendet, der
mit dem Anker 3 gekoppelt ist und ein der Stellung des
Ankers 3 entsprechendes Signal ausgibt. Nachteilig hierbei sind
die Kosten und der für
den Wegsensor erforderliche Bauraum.
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Im
Folgenden soll anhand der 1 bis 4 ein
vorteilhaftes Verfahren sowie eine vorteilhafte Vorrichtung zur
Bestimmung der Position des Ankers 3 des Linearstellglieds 1 beschrieben
werden. Wobei das vorteilhafte Verfahren ein indirektes Bestimmen
der Position des Ankers 3 erlaubt.
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Die 2 zeigt
ein elektrisches Schaltbild der vorteilhaften Vorrichtung. Die (Magnet-)Spule 2 des
Linearstellglieds 1 wird durch ihren Widerstand R und ihre
Induktivität
L beschrieben. Dabei ist die Induktivität L abhängig von der Position des Ankers 3 in
der Spule. Befindet sich der Anker 3 nur wenig eingetaucht
in die Magnetspule 2, wie in der 1 dargestellt,
so ist die Induktivität
L der Spule 2 gering und nimmt mit dem weiteren Eintauchen
des Ankers 3 in die Spule 2 in Richtung des Pfeils 10 zu.
Weiterhin hängt
die Induktivität
L der Spule 2 mit dem zweckmäßigerweise ferromagnetischen
Kern auch vom Strom ab. Der Schalttransistor T wird in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
von dem Mikrocontroller 8 mit einem Pulsweitenmodulations-Signal 9 angesteuert. Über den
Mess-Widerstand RM wird der Strom durch
eine Spannungsmessung bestimmt. Dazu wird nach Verstärkung mit
einem Operationsverstärker
V die Spannung UM dem Mikrocontroller 8 mit
einem Analog-Digital-Wandler – hier
nicht dargestellt – zugeführt. Der
(Mess-)Widerstand RM, der Operationsverstärker V und
der Analog-Digital-Wandler bilden hierbei im Wesentlichen eine Ermittlungsschaltung 11 zur
Positionsbestimmung des Ankers 3. Eine Diode D schließt den Stromkreis über den
Mess-Widerstand RM und die Spule 2 für die Zeit, in
der der Schalttransistor T sperrt.
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Die 3 zeigt
hierzu einen beispielhaften Signalverlauf. Die effektive Spannung
an der Spule 2 beträgt
dabei 12 V und für
eine Spule mit den beispielhaften Daten R = 12 Ohm, L = 0,1 H ergibt
sich bei einem Pulsweitenmodulations-Signal 9 mit einer Frequenz
f = 100 Hz und 30% Tastverhältnis
(also leitendem Transistor) ein effektiver Strom von 0,3 A. Das
obere Diagramm der 3 zeigt hierbei die Spannung
U über
die Spule 2 und das untere Diagramm den Strom I durch die
Spule 2 jeweils über
die Zeit t in Sekunden.
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Die
Bestimmung der momentanen Induktivität L und damit indirekt der
Position des Ankers 3 erfolgt durch Auswertung des Stromerlaufs
während der
Ansteuerung mit dem Pulsweitenmodulations-Signal 9. Mit
jedem Flankenwechsel des Pulsweitenmodulations-Signals 9 wird
in der Spule 2 eine Änderung
des Stromflusses erzwungen. Die Änderungsgeschwindigkeit
des Stroms wird im Wesentlichen durch die Induktivität L und
somit durch die aktuelle Ankerposition bestimmt. Je größer die
Induktivität
L ist, desto geringer ist die Änderungsgeschwindigkeit des
Stroms durch die Spule 2.
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Im
Detail wird dazu der folgende Algorithmus angewendet: Mit dem Auslösen einer
Einschaltflanke des Pulsweitenmodulations-Signals 9 wird
der Momentanwert Um(0) der Spannung Um gespeichert. Ebenso wird zum Zeitpunkt
der folgenden Ausschalflanke der Momentanwert Um(1)
der Spannung Um gespeichert. Weiterhin wird über eine
Periode des Pulsweitenmodulations-Signals 10, also von Einschalt-
zu Einschaltflanke, die Spannung Um aufintegriert.
Diese Integration erfolgt am einfachsten durch eine Summation der
Spannungswerte Um, die zum Beispiel mit
einer Abtastrate von fAb = 1 kHz vom Analog-Digital-Wandler
erfasst und in einer Speicherzelle zu Int_u summiert werden. Der
Summenwert Int_u wird dann durch die Anzahl k der summierten Spannungswerte
oder die Zeit t zwischen Ein- und Ausschaltflanke des Pulsweitenmodulations-Signals 9 dividiert,
um eine Normierung zu erreichen. Anstatt der einfachen Rechteck-Integration
kann mit gering höherem
Rechenaufwand auch eine Trapez-Integration angewendet werden.
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In
einem weiteren Schritt wird bei jeder Einschaltflanke der Wert der
relativen Stromänderung bestimmt:
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Dieser
Wert ist umgekehrt proportional zur Induktivität L und somit ein Maß für die aktuelle
Ankerposition. Die Formel verwendet Spannungswerte, die über den
Wert des Messwiderstandes RM und des Operationsverstärkers V
proportional zum Spulenstrom I sind. In einem durch Kalibrierung
einmalig erstellten Kennfeld für
verschiedene Ankerpositionen und Spannungen Ubatt kann
aus dem Wert rel_i die Ankerposition bestimmt werden. Die zusätzliche
Abhängigkeit
von der Spannung Ubatt berücksichtigt
den Sachverhalt, dass die Induktivität L der Spule 2 mit ferromagnetischem
Kern vom Strom I durch diese Spule 2 abhängt.
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Die 4 zeigt
dazu in einem Diagramm den Wert rel_i für verschiedene Induktivitäten L1 – L3 und Tastverhältnisse ψ bei einer Spule mit den Werten:
R = 12 Ohm, RM = 0,1 Ohm, Pulsweitenmodulations-Signal-Periodendauer
tPWM = 10 ms.
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Die
Bestimmung der Werte Um(0) und Um(1) muss nicht zwingend im Umschaltzeitpunkt
des Pulsweitenmodulations-Signals 9 erfolgen. Ein zeitlicher Versatz
ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Stromverlauf und somit
die Messspannung Um durch kapazitive Anteile
der Spule 2 oder der elektrischen Verbindung im Umschaltzeitpunkt
impulsförmige
Anteile enthält.
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Somit
kann die Spuleninduktivität
L auf einfache Art und Weise fortlaufend für jede Pulsweitenmodulations-Periode
bestimmt werden. Wenn die Pulsweitenmodulations-Periode klein gegenüber der
mechanischen Zeitkonstante des Aktuators ist, wenn sich die Ankerposition
also über
mehrere Pulsweitenmodulations-Perioden nur wenig ändert, kann
zur robusteren Schätzung
der Induktivität
L eine Mittelwertbildung von rel_i über mehrere Pulsweitenmodulations-Perioden
erfolgen.
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Das
vorteilhafte, hier beschriebene Verfahren benötigt nur geringe Ressourcen
des Mikrocontrollers 8 und kann somit ohne großen Aufwand
angewendet werden.
