DE102008043340A1

DE102008043340A1 - Verfahren zur Positionserfassung des Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators

Info

Publication number: DE102008043340A1
Application number: DE102008043340A
Authority: DE
Inventors: Michael Pantke; Jörg KURTH
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-06
Also published as: EP2340544A1; WO2010049200A1; EP2340544B1; US8482299B2; US20110221451A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators vorgeschlagen, im Rahmen dessen ein Spannungssprung UB auf die in Reihe geschalteten Spulen (1, 2) des Aktuators gegeben wird, wodurch die beiden Spulen (1, 2) einen Spannungsteiler nach dem Drosselspulenprinzip bilden und wobei die Spannung U1 an der ersten Spule (1) und die Spannung U2 an der zweiten Spule (2) gemessen werden, wobei aus den Messdaten für die Spannungen an den Spulen (1, 2) der auf die Höhe des Spannungssprungs UB normierte Quotient aus der Differenz DeltaU zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung UB berechnet wird und wobei jedem Wert des Quotienten ein bestimmter Ankerhub eineindeutig zugeordnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei derartigen Aktuatoren mit zwei Spulen ist bekannt, die Position des zwischen den Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Sensors zu erfassen. Zu diesem Zweck werden beide Spulen in Reihe geschaltet und es wird ein Spannungssprung auf die Anordnung gegeben, wodurch die beiden Spulen einen Spannungsteiler nach dem aus der Messtechnik bekannten Drosselspulenprinzip bilden. Aus der Differenz zwischen den beiden erzeugten Spannungen lässt sich die Position des Ankers bestimmen. Wenn sich beispielsweise der Magnetanker in der ersten Spule befindet wird die Spannung in der ersten Spule zu Beginn der Sprungantwort größer sein als die Spannung in der zweiten Spule; aus dem Verhältnis der Spannungen zum Magnethub auf, lässt sich auf einfache Weise ein positionsabhängiges Wegsignal generieren.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2005018012 A1 der Anmelderin ein elektromagnetischer Aktuator sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Aktuators bekannt, wobei der Aktuator aus einem Anker und zwei Spulen besteht. Im Rahmen der DE 10 2005018012 A1 wird vorgeschlagen, während einer sprunghaft ansteigenden Bestromung den Spannungsverlauf an den beiden Spulen zu messen, wobei aus diesen Messdaten in einem Differenzbildner ein dritter Spannungsverlauf berechnet wird, aus welchem eine Logikeinheit die Position des zwischen den Spulen verschiebbar gelagerten Ankers ohne Verwendung eines zusätzlichen Sensors bestimmt wird.
Jedoch hängt das auf diese Weise generierte Wegsignal stark von der Höhe und vom Verlauf des Spannungssprungs ab, der aufgrund von Leitungsverlusten oder Abweichungen der Bordnetzspannung in der Praxis weder konstant ist noch den denselben Wert aufweist. Des weiteren wird der Messwert mit steigendem Wert für den Zeitpunkt der Messwerterfassung nach dem Spannungssprung von Temperatureffekten aufgrund des Ohmschen Anteils und von magnetischen Sättigungseffekten in nachteiliger Weise verfälscht.
Aus der DE 19748647 C2 ist ein elektromagnetisches Antriebssystem mit integrierter Wegsignalerzeugung bekannt, mit einem Elektromotor, bestehend aus einem ersten Teilsystem mit mindestens einem Permanentmagneten und einem zweiten Teilsystem mit einem Spulensystem, umfassend mindestens zwei identische, hintereinander angeordnete Teilspulen. Bei dem bekannten System bildet jedes Teilsystem den Stator oder den beweglichen Läufer; ferner ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die der Erzeugung einer pulsweiten-modulierten Stellspannung mit konstanter Pulsfrequenz und einer konstanter Schaltspannung im Spulensystem dient. Das bekannte System umfasst eine Auswerteschaltung, die durch jeweils getrenntes Differenzieren der Spannungsverläufe über den Teilspulen und anschließendes Subtrahieren oder Dividieren der dabei entstehenden neuen differenzierten Teilspannungen zu einem jeweils konstanten Zeitpunkt nach dem Flankenwechsel im pulsweiten-modulierten Stellsignal einen weg- oder winkelproportionalen Spannungswert für die Relativposition zwischen dem ersten Teilsystem des Motors und dem zweiten Teilsystem ableitet. Durch die Konzeption der dualen Nutzung der Antriebswicklungen entfallen separate Meßsysteme für die Positionsbestimmung des bewegten gegenüber dem ortsfesten Teilsystem des Antriebssystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom bekannten Stand der Technik gemäß der DE 10 2005018012 A1 der Anmelderin ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschieb bar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, durch dessen Durchführung eine Spannungsunabhängigkeit des Messsignals für die Position des Magnetankers erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators vorgeschlagen, im Rahmen dessen die Anordnung mittels eines Spannungssprungs sprunghaft bestromt wird und der Spannungsverlauf an den beiden Spulen gemessen wird, wobei aus diesen Messdaten für den Spannungsverlauf an beiden Spulen ein auf die Höhe des Spannungssprungs normierter Spannungsverlauf berechnet wird, der unabhängig von Spannungsschwankungen ist.
Vorzugsweise wird aus den Messdaten für den Spannungsverlauf zu einem bestimmten Zeitpunkt an beiden Spulen des elektromagnetischen Aktuators der auf die Höhe des Spannungssprungs normierte Quotient aus der Differenz zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung berechnet.
Hierbei wird jedem Wert des erfindungsgemäß gebildeten Quotienten ein bestimmter Ankerhub zugeordnet, wobei diese eineindeutige Zuordnung rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt werden kann.
Die Zuordnung des Ankerhubes zu den Werten des erfindungsgemäß gebildeten Quotienten wird in der Steuerung als Kennlinie bzw. in Abhängigkeit vom Messzeitpunkt als Kennfeld abgelegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, die Messung der Spannungen an beiden Spulen zu dem Zeitpunkt nach der Bestromung des Aktuators durchzuführen, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen den Wert Null annimmt, d. h. an dem die Verläufe der Spannungen den Scheitelpunkt erreichen; aufgrund der Eigenschaften des Systems wird der Scheitelpunkt der Spannungsverläufe an beiden Spulen zum gleichen Zeitpunkt erreicht.
Dadurch werden unerwünschte Temperatureffekte sowie magnetische Sättigungseffekte vermieden, die auftreten, wenn der Messzeitpunkt der Spannungen an beiden Spulen größer ist als der Zeitpunkt des Erreichens des Scheitelpunktes.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Ein vereinfacht dargestelltes Prinzipschaubild eines elektromagnetischen Aktuators umfassend einen zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetanker; und
2: Ein Diagramm, welches die Verläufe der Spannungen an den beiden Spulen des elektromagnetischen Aktuators nach dem Anlegen eines Spannungssprunges und den Verlauf des Stromes nach dem Anlegen eines Spannungssprunges als Funktion der Zeit darstellt.
In 1 ist ein vereinfacht dargestelltes Prinzipschaubild eines elektromagnetischen Aktuators umfassend einen zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetanker gezeigt. Hierbei ist die erste Spule des Aktuators mit 1, die zweite Spule mit 2 und der Magnetanker mit 3 bezeichnet. Die den Spulen zugeordneten ohmschen Widerstände sind mit 4 bzw. 5 bezeichnet.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf den oberen Teil der 2 wird zur Positionserfassung des zwischen den Spulen 1, 2 verschiebbar angeordneten Magnetankers 3 ein Spannungssprung U_B auf die in Reihe geschalteten Spulen 1, 2 des Aktuators gegeben, wodurch die beiden Spulen 1, 2 einen Spannungsteiler nach dem aus der Messtechnik bekannten Drosselspulenprinzip bilden. Die Spannung U₁ an der ersten Spule 1 und die Spannung U₂ an der zweiten Spule 2 werden gemäß der Erfindung vorzugsweise zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t_Mess gemessen, wobei aus diesen Messdaten der auf die Höhe des Spannungssprungs U_B normierte Quotient aus der Differenz ΔU zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung U_B berechnet wird. Die entsprechende Formel lautet:
Hierbei wird zu jedem Zeitpunkt t_Mess jedem Wert des erfindungsgemäß gebildeten Quotienten ein bestimmter Ankerhub zugeordnet, wobei diese eineindeutige Zuordnung rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt werden kann und in der Steuerung als Kennlinie abgelegt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messung der Spannungen U₁ und U₂ nach dem Anlegen des Spannungssprungs zu dem Zeitpunkt durchgeführt wird, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen den Wert Null annimmt; dieser Zeitpunkt entspricht dem im oberen Teil der 2 gezeigten Zeitpunk t_Mess; in dieser Figur ist der Scheitelpunkt der Spannungsverläufe an beiden Spulen 1, 2 mit A bezeichnet. Im unteren Teil der
2 ist der Verlauf des Stroms nach dem Anlegen des Spannungssprungs U_B als Funktion der Zeit t dargestellt.
Die erfindungsgemäße Konzeption resultiert in dem Vorteil, dass die erzeugte Kennlinie unabhängig von Betriebsspannungsschwankungen ist. Zudem werden durch die Definition des optimalen Messzeitpunktes Temperatureffekte bzw. magnetische Sättigungseffekte weitgehend vermieden.

1: Spule
2: Spule
3: Magnetanker
4: ohmscher Widerstand
5: ohmscher Widerstand
UB: Spannungssprung
U1: Spannung an der Spule 1
U2: Spannung an der Spule 2
t_Mess: Messzeitpunkt
I: Strom
t: Zeit
A: Scheitelpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005018012 A1 [0003, 0003, 0006]
- DE 19748647 C2 [0005]

Claims

Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, wobei ein Spannungssprung U_B auf die in Reihe geschalteten Spulen (1, 2) des Aktuators gegeben wird, wodurch die beiden Spulen (1, 2) einen Spannungsteiler nach dem Drosselspulenprinzip bilden und wobei die Spannung U₁ an der ersten Spule (1) und die Spannung U₂ an der zweiten Spule (2) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messdaten für die Spannungen an den Spulen (1, 2) der auf die Höhe des Spannungssprungs U_B normierte Quotient aus der Differenz ΔU zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung U_B berechnet wird, wobei jedem Wert des Quotienten ein bestimmter Ankerhub eineindeutig zugeordnet wird.
Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eineindeutige Zuordnung der Werte des Quotienten zum Ankerhub rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt wird.
Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Werte des Quotienten zum Ankerhub in der Steuerung als Kennlinie bzw. in Abhängigkeit vom Messzeitpunkt als Kennfeld abgelegt wird.
Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Spannungen an beiden Spulen (1, 2) zu dem Zeitpunkt t_Mess nach dem Anlegen des Spannungssprungs U_B durchgeführt wird, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen (1, 2) den Wert Null annimmt.