DE102009018978A1

DE102009018978A1 - Elektrische Ansteuerschaltung zum Steuern eines magnetischen Aktors und Verfahren zum Ansteuern eines magnetischen Aktors

Info

Publication number: DE102009018978A1
Application number: DE200910018978
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner; Thomas Pfendler; Timo Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-25
Filing date: 2009-04-25
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Es wird eine Steuervorrichtung mit einem magnetischen Aktor und einer Ansteuerelektronik für die elektrische Ansteuerung des Aktors bereitgestellt. Dabei ist die Ansteuerung über eine Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) erfolgt. An dem Aktor ist ein nicht-flüchtiger Datenspeicher (13) vorgesehen, der von der Ansteuerelektronik (100) über die Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) auslesbar ist. In der Ansteuerelektronik (100) ist ein Umschalter (4) vorgesehen zum alternativen Ansteuern des Aktors (3) durch das Ansteuersignal oder Auslesen des Datenspeichers (130).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steuerschaltung zum Steuern eines Ventils. Aus dem Stand der Technik sind Steueranordnungen für ein Endgerät bekannt, bei dem über eine 2-adrige Stromversorgungsleitung für ein Endgerät zusätzlich Daten zum Endgerät und/oder vom Endgerät zu einer Steuervorrichtung übertragen werden. Ein Beispiel ist das genormte Aktor-Sensor-Interface AS-i (Normen EN 50295, IEC 62026-2) zur gleichzeitigen Versorgung von Sensoren und Aktoren mit 24 V und Datenübertragung über eine 2-Draht-Leitung.
Aus der DE 10 2005 060 414 A1 ist eine elektrohydraulische Steuervorrichtung bekannt, die ein Ventil und eine Ansteuerelektronik für die elektrische Ansteuerung des Ventils in Abhängigkeit von einem Steuersignal enthält. Ein nicht-flüchtiger Datenspeicher ist an einem Sensor des Ventils angeordnet. Der Sensor kann über die elektrische Versorgungsleitung zwischen der Ansteuerelektronik und dem Ventil ausgelesen werden. Die dazu notwendige Information wird über ein auf die Versorgungsspannung aufmoduliertes Signal von dem Sensor zu der Ansteuerelektronik übertragen.
Das Demodulieren des Signals in der Ansteuerelektronik bedarf vieler aufwändiger Bauelemente und ist fehlerträchtig.
Die Aufgabe der Erfindung ist somit das Fern-Auslesen von Daten, die in einem elektromagnetisch betätigten Aktor gespeichert sind, zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine elektrohydraulische Steuervorrichtung mit einem magnetischen Aktor und einer Ansteuerelektronik für eine elektrische Ansteuerung des Aktors bereitgestellt. Die Ansteuerung erfolgt über eine Zwei-Draht-Verbindung. An dem Aktor ist ein nicht-flüchtiger Datenspeicher vorgesehen, der von der Ansteuerelektronik über die Zwei-Draht-Verbindung auslesbar ist. In der Ansteuerelektronik ist ein Umschalter vorgesehen zum alternativen Ansteuern des Aktors durch das Ansteuersignal oder zum Auslesen des Datenspeichers. Der Umschalter vereinfacht das Auslesen des nicht-flüchtigen Datenspeichers.
Anstatt dass die im nicht-flüchtigen Datenspeicher gespeicherten Informationen aufwändig moduliert und anschließend demoduliert werden müssen, wird durch den Umschalter entweder der Aktor angesteuert oder der Speicher ausgelesen. Es besteht somit nicht mehr die Gefahr, dass Störsignale des Aktors die übertragenen Informationen verfälschen.
Zusätzlich kann man die verwendete Spannung für das Ansteuern des Aktors flexibler gestalten. Bei einem Aktor-Sensor-Interface AS-i muss eine feste Versorgungsspannung von 24 V vorgesehen werden. Die Ansteuerung des Aktors vereinfacht sich allerdings, wenn eine variable Spannung von der Ansteuerelektronik vorgesehen werden kann, damit z. B. die verschiedenen Hübe eines magnetischen Hubkolbens eingestellt werden.
Zudem ist es möglich, dass die Ansteuerung des Ventils über eine bis zu 150 m lange geschirmte oder ungeschirmte 2-Draht-Leitung erfolgt. Bei solch langen Leitungen ist es schwierig, hohe Frequenzen zum Aufmodulieren von Nachrichten zu verwenden.
In einer Ausführungsform weist die Ansteuerelektronik eine Vorrichtung zum Auslesen des Datenspeichers auf, wobei diese Vorrichtung eine Spannungsquelle aufweist. Damit ist es möglich, die Spannungsversorgung für den Datenspeicher auch während des Auslesens durch die Ansteuerelektronik vorzunehmen. Somit ist es nicht mehr nötig, dass eine Energiespeichervorrichtung wie z. B. eine Batterie an dem Aktor vorhanden ist.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung zum Auslesen des Datenspeichers zusätzlich einen Messwiderstand in Reihe zur Spannungsquelle. Mit Hilfe des Messwiderstands kann die aktorseitige Last, die durch den Datenspeicher beim Auslesen verändert wird, mit relativ wenig Aufwand gemessen werden.
Vorzugsweise ist an dem Aktor ein Schalter vorgesehen, der von der Steuerschaltung in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten Daten angesteuert wird. Mit einem solchen Schalter kann die an der Zwei-Draht-Verbindung anliegende Last digital verändert werden.
Falls ein Mikrocontroller in der Steuerschaltung vorhanden ist, können eine Vielzahl von Funktionen zur Ansteuerung des Schalters vorgesehen werden. Damit können sichere Methoden zum Erkennen, dass nun der Modus des Auslesens des Datenspeichers vorgesehen ist, implementiert werden.
In einer Ausführungsform beaufschlagt der Umschalter die Zwei-Draht-Leitung alternativ mit einer ersten Spannung oder einer zweiten Spannung. Dabei sind die Polaritäten der ersten und der zweiten Spannung verschieden. Somit kann den elektrischen Schaltungen an dem Aktor auch einfacher mitgeteilt werden, in welchem Modus die elektrohydraulische Steuervorrichtung ist.
Dabei sind in einer Ausführungsform aktorseitig eine Diode in Reihe mit dem Aktor und eine Diode in Reihe mit dem nicht-flüchtigen Speicher vorgesehen. Je nach Polarität wird so entweder der Aktor angesteuert oder das Auslesen des nicht- flüchtigen Speichers veranlasst. Damit wird sichergestellt, dass die beiden Funktionen sich nicht gegenseitig stören.
In einer Ausführungsform ist zwischen den Leitungen der Zwei-Draht-Verbindung und dem Aktor ein Gleichrichter vorgesehen. Mit einem solchen können Spannungen mit unterschiedlicher Polarität über die Zwei-Draht-Verbindung übertragen werden und können dann an dem Aktor in eine Gleichspannung umgewandelt werden, an denen die elektrischen Schaltungen versorgt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ansteuerelektronik eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Rechteckspannung zum Beaufschlagen der Zwei-Draht-Verbindung auf. Mit einer solchen Vorrichtung kann den Schaltungen auf Seiten des Aktors signalisiert werden, dass nun der Modus des Auslesens aktiv ist, damit diese entsprechend die in dem Speicher vorhandenen Daten an die Ansteuerelektronik ausgeben.
Dabei kann die Vorrichtung zum Erzeugen der richtigen Spannung eine Brückenschaltung, alternativ eine Gegentaktschaltung, enthalten.
Vorzugsweise wird dabei die Frequenz der Rechteckspannung derart eingestellt, dass sich der Aktor bei Anlegen der Rechteckspannung nicht bewegt. Dies ist besonders möglich, falls die Frequenz der Rechteckspannung so hoch gewählt wird, dass auf Grund der Impedanz des Aktors dieser sich nicht so schnell bewegen kann.
In einer Ausführungsform ist in der Vorrichtung zum Auslesen des Datenspeichers eine Reihenschaltung aus mindestens einem Treiber und einem Widerstand vorgesehen. Durch den Treiber ist eine Leitung der Zwei-Draht-Verbindung mit einem Strom beaufschlagbar und mit dem Widerstand ist das Potential der Leitung messbar. Mit einer solchen Vorrichtung kann die Leitung mit einem Signal beaufschlagt werden und anhand der Rückkopplung der Datenspeicher ausgelesen werden.
Vorzugsweise ist in der Vorrichtung zum Auslesen des Datenspeichers ein Komparator ist zum Empfang einer elektrischen Größe, die ein Maß für die Spannung auf der Zwei-Draht-Verbindung ist.
Mit einem Abtaster zum Abtasten eine von dem Komparator ausgegebenen Signals kann das gemessene Signal digital weiterverarbeitet werden, wodurch sich viele Diagnosemöglichkeiten für einen Benutzer ergeben.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum elektrischen Ansteuern eines magnetischen Aktors, wobei die Ansteuerung über eine Zwei-Draht-Verbindung erfolgt. An dem Aktor ist ein nicht-flüchtiger Datenspeicher vorgesehen, der von der Ansteuerelektronik über die Zwei-Draht-Verbindung auslesbar ist. Bei dem Verfahren wird im Zeitmultiplex entweder der Aktor durch ein Ansteuersignal über die Zwei-Draht-Verbindung angesteuert, oder der Datenspeicher wird über die Zwei-Draht-Verbindung von der Ansteuerelektronik ausgelesen. Mit dem Verfahren wird ein sicheres Auslesen des Datenspeichers mit wenig Schaltungsaufwand ermöglicht.
Mit der beschriebenen Steuervorrichtung können folgende Randbedingungen erfüllt werden:

– Ansteuerung des Ventils über eine bis zu 150 m lange geschirmte oder ungeschirmte Zweidrahtleitung. Dabei können Spannungen bis 32 V und Ströme bis 5 A, Gleichstrom oder pulsierender Gleichstrom übertragen werden. Es wurden auch Längen von 200 m erreicht. Der pulsierende Gleichstrom wird mit Hilfe von Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt.
– Übertragung der Daten über dieselbe Leitung;
– Auslesen und Ventilbetrieb erfolgen zu unterschiedlichen Zeiten;
– Keine Batterie im Ventil vorhanden;
– Stromversorgung bei Auslesebetrieb über die Zweidrahtleitung;
– Kein mechanisches Ansprechen des Ventils beim Auslesen der Daten.

Diese Randbedingungen können nicht durch bekannte Systeme zur Stromversorgung und Datenübertragung über dieselbe Leitung erfüllt werden. Beispielsweise liefert das Aktor-Sensor-Interface AS-i nur eine feste Versorgungsspannung von 24 V, der Magnet-Aktor benötigt hingegen vorzugsweise eine variable Spannung, um die verschiedenen Hübe eines magnetischen Hubkolbens einzustellen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Ansteuerschaltung und mit einem Magnetaktor;
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Ansteuerschaltung und mit einem Magnetaktor;
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Ansteuerschaltung und mit einem Magnetaktor;
4 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung gemäß 3;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung gemäß 3;
6 Spannungsverläufe auf den Verbindungsleitungen zwischen Ansteuerschaltungen und Magnetaktor gemäß 3;
7 Spannungsverläufe auf den Verbindungsleitungen zwischen Ansteuerschaltungen und Magnetaktor gemäß 3.
8 zeigt eine aktorseitige Elektronikeinheit.
1 zeigt eine erste Ausführungsform aus einer Anordnung mit einer Ansteuerschaltung und einem Magnetaktor. Sie enthält als Magnetaktor 3 ein elektrisch steuerbares hydraulisches Mehrwege-Stetigventil. Der Magnetschalter 3 ist über eine Zweidrahtleitung 2a, 2b mit einer Ansteuerschaltung 100 verbunden. Die Ansteuerschaltung 100 enthält ein Steuergerät I, einen Umschalter 4, eine Gleichspannungsquelle 5, einen Strommesswiderstand 6 und eine Auswerteeinheit 7.
Die Zweitdrahtleitung 2a, 2b ist bis zu 150 Meter lang und mit einem Schirm 2' versehen.
Über eine Steuerleitung 9 kann der Umschalter 4 wahlweise in die Stellung a oder b gebracht werden. In der Stellung a ist der Magnetaktor 3 über die Zwei-Draht-Leitung 2a, 2b mit dem Steuergerät I verbunden. Das Steuergerät 1 erzeugt dabei einen Gleichstrom oder einen über eine Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugten pulsierenden Gleichstrom. Der Hub des Magnetankers im Magnetaktor 3 ist eine stetige, näherungsweise lineare, Funktion des mittleren Gleichstromwerts.
In der Stellung b werden Daten aus dem Ventil ausgelesen. Dabei wird die Leitung 2b mit der steuergerätseitigen Masse verbunden. Die Gleichspannungsquelle 5 ist mit dem Strommesswiderstand 6 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung ist zwischen der Masse und einem Anschluss des Umschalters 4 vorgesehen. In der Stellung b wird dieser Anschluss mit der Leitung 2a verbunden. Somit wird eine Gleichspannungsquelle 5 über den Strommesswiderstand 6 zwischen eine der Leitungen, hier 2a, und dem Schirm 2' angeschlossen. Der Magnetaktor 3 ist in dieser Betriebsart stromfrei geschaltet.
Am Magnetaktor 3 ist eine Elektronikeinheit 13 angebracht. Die Elektronikeinheit 13 enthält ein Steuerelement 12, das z. B. als ein Microcontroller, FPGA oder ASIC aufgebaut ist. Das Steuerelement ist mit Stromversorgung integriert. Die Elektronikeinheit 13 weist auch einen Schalter 11, z. B. ein MOSFET oder Bipolartransistor, und eine Last 10 auf.
Das Steuerelement 12 besitzt eine eingebaute Spannungsversorgung, die dafür sorgt, dass der vom Steuerelement 12 insgesamt aufgenommene Strom zeitlich wenigstens näherungsweise konstant gehalten wird. Des weiteren ist das Steuerelement 12 so ausgestaltet, dass sein Stromverbrauch gegenüber dem Strom des Magnetaktors vernachlässigbar ist. Dies wird beispielsweise durch Einsatz der CMOS-Technologie erreicht, wodurch der Stromverbrauch z. B. auf Werte kleiner als 5 mA sinkt.
Das Steuerelement 12 beinhaltet einen nichtflüchtigen Speicher 130 z. B. für die Magnetaktor-Kenndaten.
Das Steuerelement 12 erkennt durch die Auswertung der Spannung an seinen Klemmen (+, –) den Schalterzustand b, was Datenübertragung bedeutet. In diesem Fall liest das Steuerelement 12 die in seinem nicht-flüchtigen Speicher 130 enthaltenen Daten aus. Die Daten werden in ein serielles Format gewandelt und erscheinen nacheinander am Ausgang des Steuerelements 12. Eine Reihenschaltung aus dem Schalter 11 und der Last 10 ist parallel zu dem Magnetaktor 3 zwischen den Leitungen 2a, 2b vorgesehen.
Der Schalter 11, z. B. ein MOSFET oder Bipolartransistor, wird im Takt der erscheinenden Datenbits geschaltet. Dadurch wird die Last 10 im gleichen Takt ein- und ausgeschaltet und der Stromverbrauch ändert sich im selben Rhythmus. Die Last 10 kann z. B. ein Widerstand, eine Konstantstromquelle oder ein spannungsbegrenzendes Element wie eine Zenerdiode sein. Die Last 10 wird so dimensioniert, dass die von der Last verursachten Schwankungen der Stromaufnahme der Elektronikeinheit 13 größer sind als die ohnehin vorhandenen Schwankungen der Stromaufnahme des Steuerelements 12.
Das serielle Datenformat kann z. B. der RS232-Norm, der 12C-Norm oder einem frei wählbaren Format entsprechen; hier sind vielerlei Alternativen möglich.
Auf der Steuergeräteseite lässt sich am Strommesswiderstand 6 eine Spannung abnehmen, die dem Stromverbrauch der Elektronikeinheit 13 proportional ist. Die ser Spannungswert wird in der Auswerteeinheit 7 verarbeitet. Nach eventueller Verstärkung des Stromverbrauchssignals wird dieses mit einem Sollwert über einen in der Auswerteeinheit 7 enthaltenen Komparator verglichen. Der Sollwert wird so gewählt, dass der Komparator sicher zwischen dem Stromverbrauch ohne Last 10 und dem mit zugeschalteter Last 10 unterscheiden kann. Das digitale Komparatorsignal kann am Ausgang 8 abgenommen werden, es reproduziert damit den vom Steuerelement 12 erzeugten digitalen Datenstrom. Dieser kann z. B. in einem nachgeschalteten Rechner ausgewertet werden.
Der Einsatz des Verfahrens kann sehr einfach in einem Produkt nachgewiesen werden, da in der Regel die Anschlüsse 2a, 2b, 2' einer Messung frei zugänglich sind. Das Verfahren und die dazugehörigen Elektronikbaugruppen können in magnetisch betätigten hydraulischen Stetigventilen eingesetzt werden. Ein De monstrator wurde aufgebaut und funktioniert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung mit einem Magnetaktor und einer zugehörigen Ansteuerschaltung. Bei dieser Anordnung muss auf die richtige Polung der Anschlüsse des Magnetaktors 3 mit der Elektronikeinheit 15 bzw. des Steuergeräts I geachtet werden.
Über eine Steuerleitung 9 kann der Umschalter 4 wahlweise in die Stellung a oder b gebracht werden. In der Stellung a ist der Magnetaktor 3 mit dem Steuergerät I verbunden, d. h. die Steuerschaltung 1 versorgt den Magnetaktor 3 mit Energie. Dabei ist das negative Potential mit der Leitung 2a und das positive Potential mit der Leitung 2b verbunden. Somit fließt auf Leitung 2b der Strom immer zum Magnetaktor, auf Leitung 2a fließt er zurück zum Steuergerät I.
In der Stellung b des Umschalters 4 werden Daten aus dem Ventil ausgelesen. Dabei ist eine Gleichspannungsquelle 5 an die Leitung 2a mit dem Pluspol und die Leitung 2b über einen Strommesswiderstand 6 mit seinem Minuspol gekoppelt.
Die am Magnetaktor 3 eingebaute Elektronikeinheit 15 enthält Dioden 13 und 14, ein Steuerelement 12 mit integrierter Stromversorgung, einen Schalter 11, der zum Beispiel als ein MOSFET oder Bipolartransistor ausgebildet ist, und die Last 10. Da in Betriebsart b der Stromfluss auf den Leitungen (gegenüber Stellung a) umgekehrt verläuft, verhindert die Diode 13 einen Stromfluss durch den Magnetaktor 3.
Das Steuerelement 12 besitzt eine eingebaute Spannungsversorgung, die dafür sorgt, dass der vom Steuerelement 12 insgesamt aufgenommene Strom zeitlich wenigstens näherungsweise konstant gehalten wird. Des weiteren ist das Steuerelement 12 so ausgestaltet, dass sein eigener Stromverbrauch gegenüber dem Strom des Magnetaktors vernachlässigbar ist.
Das Steuerelement 12 beinhaltet einen nichtflüchtigen Speicher 130 z. B. für die Magnetaktor-Kenndaten.
Das Steuerelement 12 erkennt durch die Auswertung der dauerhaft anliegenden Spannung an seinen Klemmen (+, –) den Schalterzustand b, was Datenübertragung bedeutet. Das Steuerelement 12 kann diesen Zustand durch geeignete Verfahren vom Schalterzustand a unterscheiden, bei dem möglicherweise kurze positive Spannungsspitzen an den Klemmen zu beobachten sind. Diese Spannungsspitzen sind insbesondere durch einen PWM-Betrieb des Aktors bedingt. Im Schalterzustand b liest das Steuerelement die in seinem nicht-flüchtigen Speicher enthaltenen Daten aus. Die Daten werden in ein serielles Format gewandelt und erscheinen nacheinander am Ausgang des Steuerelements 12. Der Schalter 11, beispielsweise als ein MOSFET oder ein Bipolartransistor ausgebildet, wird im Takt der erscheinenden Datenbits ein- bzw. ausgeschaltet. Dadurch wird die Last 10 im gleichen Takt ein- und ausgeschaltet und der Stromverbrauch ändert sich im selben Rhythmus.
Die beschriebene Anordnung kann insbesondere in magnetisch betätigten hydraulischen Stetigventilen eingesetzt werden.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Magnetaktor 3 und einer Ansteuerschaltung 100.
Über eine Steuerleitung 8 kann der Umschalter 4 wahlweise in die Stellung a oder b gebracht werden. In Stellung a ist der Magnetaktor 3 mit dem Steuergerät I verbunden. In Stellung b werden Daten aus dem Ventil ausgelesen. Dabei werden die Klemmen 20a, 20b einer Steuergeräteerweiterung 200 mit den Magnetaktorleitungen 2a, 2b verbunden. Am Magnetaktor 3 befindet sich die parallel angeschlossene Elektronikeinheit 60.
4 zeigt eine erste Ausführungsform einer Steuergeräteerweiterung 200 aus 3. Die Steuergeräterweiterung 200 enthält einen Frequenzgenerator 16, Schalter 17 und 19, Dioden 27 und 28, einen Schalter 18, einen Koppelkondensator 20 und einem Strommesswiderstand 21, einen Verstärker 22, einen Komparator 23 und einen Abtaster 24.
Ein Frequenzgenerator 16 erzeugt eine Frequenz von z. B. f = 19,2 kHz. Die Frequenz f wird so gewählt, dass im Magnetaktor 3 aufgrund seiner frequenzabhängigen Impedanz bei dieser Frequenz f keine nennenswerten Ströme fließen und dass der Magnetaktor 3 aufgrund der geringen Ströme und daraus resultierender Magnetkräfte und der stets vorhandenen Reibung keine Auslenkung erfährt. Der Frequenzgenerator 16 liefert ein rechteckförmiges Signal. Er steuert direkt und über einen Inverter 18 eine Endstufe an.
Diese Endstufe enthält die beiden Schalter 17 und 19, die abwechselnd durchgeschaltet werden, die Dioden 27, 28, einen Koppelkondensator 20 und einen Strommesswiderstand 21. Die Schalter 17 und 19 sind z. B. als MOSFET- oder Bipolartransistoren ausgebildet. Die Endstufe wirkt als Gegentakt-Endstufe.
Ub ist die Betriebsspannung der Endstufe, z. B. 24 V. Zwischen den Klemmen 2a und 2b erscheint eine bipolare Rechteckspannung mit der Frequenz f und der Amplitude Ub/2. Während der Phasen, in denen Schalter 19 geschlossen ist, lässt sich der Strom, der in Klemme 2a hineinfließt, über den Strommesswiderstand 21 messen. Die Spannung am Strommesswiderstand 21 wird über einen Verstärker 22 verstärkt und in einem Komparator 23 mit einem Referenzwert Uref verglichen. Der digitale Ausgang des Komparators 23 ist mit einem Abtaster (z. B. ein Flipflop oder ein Sample/Hold-Glied) 24 verbunden, der den Wert des Komparatorausgangs zum Abtastzeitpunkt speichert und bis zur darauffolgenden Abtastung hält und diesen Wert an dem Ausgang 8 ausgibt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Steuergeräteerweiterung 2. Diese Ausführungform unterscheidet sich von derjenigen aus 4 durch die Realisierung der Endstufe. In 5 besteht die Endstufe aus den Schaltern 17, 19, 25, und 26, den Dioden 27, 28, 29 und 30, und einem Strommesswiderstand 21. Abwechselnd werden die Schalterpaare 17 und 26 bzw. 19 und 25 durchgeschaltet. Ub ist die Betriebsspannung der Endstufe, z. B. 24 V. Zwischen den Klemmen 2a und 2b erscheint eine bipolare Rechteckspannung mit der Frequenz f und der Amplitude Ub. Die Endstufe hat die Funktion einer Brückenschaltung.
Die Dioden 27, 28, 29, 30 dienen dazu, die Schalter vor unerwünschten Rückwärtsströmen zu schützen. Dieselbe Funktion haben die Dioden 27 und 28 in 4.
6 zeigt oben den Verlauf der Rechteck-Spannung, die zwischen den Klemmen 2a und 2b im Falle der Stellung b des Umschalters 4 anliegt. In der Mitte der 6 ist der Stromverlauf in der Leitung 2a in Richtung Magnetaktor dargestellt. Der Verlauf folgt im wesentlichen einer Exponential-Funktion, deren Parameter durch die Induktivität und den Widerstand des Magnetaktors und die Höhe der Betriebsspannung Ub bestimmt sind.
Wird dem Magnetaktor eine Last, z. B. ein Widerstand von 100 Ohm, parallel geschaltet, ergibt sich der in Bild 6 unten dargestellte Stromverlauf. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Änderung des Stromverlaufs bei Zuschalten einer Last pa rallel zum Magnetaktor 3 zur Datenübertragung. Dieser Stromverlauf wird von dem Messwiderstand 21 erfasst.
7 zeigt oben den Stromverlauf in der Leitung 2a in Richtung Magnetaktor 3, wenn z. B. nach 3 Perioden der Rechteckspannung die Last für 2 Perioden zugeschaltet wird. 7 zeigt in der Mitte den zugehörigen Spannungsverlauf am Messwiderstand 21 bzw. am Ausgang des Verstärkers 22 und die Schwelle Uref. Die Schwelle Uref des Komparators 23 wird so gewählt, dass an seinem Ausgang ein digitales Signal entsteht, das ohne Last immer 0, mit zugeschalteter Last periodisch I wird. Das Diagramm in 7 unten zeigt das Signal am Ausgang des Komparators 23.
Der Abtaster 24 tastet das Signal des Komparators periodisch mit der Frequenz f des Frequenzgenerators 16 ab. Dies geschieht vorzugsweise zu den Zeitpunkten, an denen jeweils die halbe Dauer des 1-Zustands des Rechtecksignals aus 6 oben erreicht ist. Dies entspricht in den Bildern 5 und 6 jeweils den Zeitpunkten t = 0.25, 1.25, 2.25 und so weiter. Das abgetastete Signal 7 stellt ein Abbild des zeitlichen Verlaufs des Zuschaltens der Last dar und kann als serieller Datenstrom interpretiert werden. Dieser kann z. B. in einem nachgeschalteten Rechner ausgewertet werden.
Die im Magnetaktor eingebaute Elektronikeinheit 60 gemäß 8 besteht aus dem Brückengleichrichter 90, der Spannungsversorgung 120, dem Steuerelement 12, beispielsweise als Mikrokontroller, FPGA oder ASIC ausgebildet, dem Schalter 11, z. B. ein MOSFET oder Bipolartransistor, und der Last 10.
Das Steuerelement 12 beinhaltet einen nichtflüchtigen Speicher 130 für die Magnetaktor-Kenndaten.
Im Schalterzustand b liest das Steuerelement 12 die in seinem nichtflüchtigem Speicher enthaltenen Daten aus. Die Daten werden in ein serielles Format gewandelt und erscheinen nacheinander am Ausgang 150 des Steuerelements 12.
Der Schalter 11 (z. B. ein MOSFET oder Bipolartransistor) wird im Takt der erscheinenden Datenbits ein- bzw. ausgeschaltet. Dadurch wird die Last 10 im gleichen Takt ein- und ausgeschaltet und der Stromverbrauch ändert sich im selben Rhythmus.
Der Eingang 140 des Steuerelements dient dazu, die Zeitpunkte zu erkennen, in denen das Rechtecksignal an den Klemmen 4a und 4b umgepolt wird. Dadurch kann das Steuerelement 13 seine Daten am Ausgang mit dem Rechtecksignal synchronisieren. Die Bitrate wird so gewählt, dass sie gleich der Rechteckfrequenz f oder einem Bruchteil f/n (n ganze Zahl) entspricht. Dies bedeutet, dass während der Ausgabe eines ausgegebenen Bits n Perioden des Rechtecksignals vergehen. Durch die Synchronisation wird dafür gesorgt, dass nur zu den Zeitpunkten die Datenbits auf Leitung 150 geändert werden, zu denen beispielsweise eine steigende Flanke des Rechtecksignals erfolgt. Dadurch wird dafür sichergestellt, dass Datensignal und Rechtecksignal synchron bleiben, obwohl die Taktfrequenzgeneratoren 16 in der Steuergeräteerweiterung und derjenige, der in der Steuereinheit 13 vorhanden ist, z. B. ein Quarz, in der Praxis nicht exakt dieselbe Frequenz aufweisen.

1: Steuergerät
2: Leitung
2a: erster Draht der Zwei-Draht-Leitung
2a: zweiter Draht der Zwei-Draht-Leitung
2': Schirm
3: Magnetaktor
4: Umschalter
5: Batterie
6: Messwiderstand
7: Auswerteeinheit
8: Ausgangssignal
9: Steuerleitung
10: Last
11: Schalter
12: Steuerelement
13: Diode
14: Diode
15: Elektronikeinheit
16: Generator
17: Schalter
18: Inverter
19: Schalter
20: Kondensator
20a: Klemme
20b: Klemme
21: Strommesswiderstand
22: Verstärker
23: Komparator
24: Abtaster
27: Diode
28: Diode
29: Diode
30: Diode
60: Elektronikeinheit
90: Gleichrichter
100: Steuerschaltung
130: Datenspeicher
140: Eingang
150: Ausgang
200: Steuergeräteerweiterung

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 102005060414 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 50295 [0001]
- IEC 62026-2 [0001]
- RS232-Norm [0044]
- 12C-Norm [0044]

Claims

Steuervorrichtung mit einem magnetischen Aktor (3) und einer Ansteuerelektronik (100) für die elektrische Ansteuerung des Aktors (3), wobei die Ansteuerung über eine Zwei-Draht-Verbindung zwischen der Ansteuerelektronik und dem Aktor erfolgt und an dem Aktor ein nicht-flüchtiger Datenspeicher (130) vorgesehen ist, der von der Ansteuerelektronik über die Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) auslesbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerelektronik (100) ein Umschalter (4) vorgesehen ist zum alternativen – Ansteuern des Aktors (3) durch das Ansteuersignal – oder Auslesen des Datenspeichers (130).
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansteuerelektronik eine Vorrichtung (5, 6, 7) zum Auslesen des Datenspeichers (130) vorgesehen ist, die eine Spannungsquelle (5) aufweist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (5, 6, 7) zum Auslesen des Datenspeichers ein Messwiderstand (6) in Reihe zur Spannungsquelle (5) vorgesehen ist.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aktor (3) ein Schalter (11) vorgesehen ist, der von einer Steuerschaltung (12) in Abhängigkeit von indem Datenspeicher (13) gespeicherten Daten angesteuert wird.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (12) einen Mikroprozessor enthält.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (4) die Zwei-Draht-Leitung (2a, 2b) alternativ mit einer ersten Spannung oder einer zweiten Spannung (U₂) beaufschlagt, wobei die Polaritäten der ersten und der zweiten Spannung verschieden sind.
Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aktor (3) eine Diode in Reihe mit dem Aktor (3) und eine Diode (13) in Reihe mit dem nicht-flüchtigen Speicher (130) vorgesehen ist.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gleichrichter (90) zwischen den Leitungen der Zwei-Draht-Verbindung (1a, 2b) und dem Aktor (3).
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (100) eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Rechteckspannung zum Beaufschlagen der Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) aufweist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen der Rechteckspannung eine Brückenschaltung aufweist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen der Rechteckspannung, eine Gegentaktschaltung aufweist.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Rechteckspannung derart eingestellt wird, dass sich der Aktor (3) bei Anlegen der Rechteckspannung nicht bewegt.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor Teil eines Ventils ist.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (200) zum Auslesen des Datenspeichers (130) eine Reihenschaltung aus mindestens einem Treiber (17, 19) und einem Widerstand (21) vorgesehen ist, wobei durch den Treiber (17, 19) eine Leitung der Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) mit einem Strom beaufschlagbar ist und mit dem Widerstand (21) das Potential der Leitung messbar ist.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (5, 6, 7) zum Auslesen des Datenspeichers ein Komparator (23) ist zum Empfang einer elektrischen Größe, die ein Maß für die Spannung auf der Zwei-Draht-Verbindung ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Abtaster (24) zum Abtasten eine von dem Komparator (23) ausgegebenen Signals.
Verfahren zum elektrischen Ansteuern eines magnetischen Aktors (3), wobei die Ansteuerung über eine Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) erfolgt, und an dem Aktor (3) ein nicht-flüchtiger Datenspeicher (13) vorgesehen ist, der von der Ansteuerelektronik (100) über die Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) auslesbar ist, wobei im Zeitmultiplex entweder der Aktor (3) durch ein Ansteuersignal über die Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) angesteuert wird oder der Datenspeicher (130) über die Zwei-Draht-Verbindung (2a, 2b) von der Ansteuerelektronik (100) ausgelesen wird.