DE102011075935A1

DE102011075935A1 - Ermittlung von Funktionszuständen eines elektromagnetischen Aktors

Info

Publication number: DE102011075935A1
Application number: DE102011075935A
Authority: DE
Inventors: Andrej Gadyuchko; Vladimir Kireev; Marius Nolte
Original assignee: Steinbeis & Co KG fur Technologietransfer GmbH
Current assignee: ILMENAUER MECHATRONIK GMBH, DE
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: DE102011075935B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung von Funktionszuständen, insbesondere von Fehlerzuständen eines elektromagnetischen Aktors. Der Funktionszustand und/oder der Fehlerzustand wird anhand eines Vergleichs zumindest einer magnetischer Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)), welche einen verketteten magnetischen Soll-Fluss (Ψ_SOLL) in Abhängigkeit einer Stromstärke beschreibt, und einer magnetischen Ist-Kennlinie (Ψ_IST(I, δ)), welche einen verketteten magnetischen Ist-Fluss (Ψ_IST) in Abhängigkeit der Stromstärke (I) beschreibt, ermittelt. Der verkettete magnetische Ist-Fluss (Ψ_IST) wird aus einer Strom- und einer Spannungsmessung (U(t), I(t)) im Erzeugerkreis des Magnetfelds während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Funktionszuständen, insbesondere von Fehlerzuständen eines elektromagnetischen Aktors und eine dazu geeignete Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind elektromagnetische Aktoren bekannt, welche elektrische in mechanische Energie wandeln und insbesondere als Stellglieder in Regelkreisen eingesetzt werden. Häufig weist ein solcher elektromagnetischer Aktor einen Elektromagneten mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds auf, mittels dessen eine Ankerposition eines bewegbar gelagerten Ankers des Aktors veränderbar ist. Beispielsweise ist ein solcher elektromagnetischer Aktor zur Ansteuerung eines Ventils vorgesehen, welches als Stellglied zur Steuerung eines Druckes oder einer Gaszufuhr dient. Elektromagnetische Aktoren haben vielfältige technische Anwendungsmöglichkeiten und können beispielsweise in der Medizintechnik, der Luftfahrttechnik oder bei industriellen Anlagen eingesetzt werden. Nicht oder nicht rechtzeitig erkannte Defekte oder Fehlerzustände des elektromagnetischen Aktors können mitunter zu schwerwiegenden Schädigungen an den zu regelnden oder zu steuernden Anlagen oder Anlagenkomponenten führen. Besonders kritische Situationen können beispielsweise von defekten elektromagnetischen Aktoren verursacht werden, welche zur Kabinendrucksteuerung in einem Flugzeug oder zur Steuerung eines Kühlkreislaufs eines Kraftwerks verwendet werden.
Typischer Weise sind deshalb elektromagnetische Aktoren mit Sensoren ausgestattet, welche zur Funktionsüberprüfung des elektromagnetischen Aktors dienen. So ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 042 777 A1 ein elektromagnetischer Aktor bekannt, welcher eine Strommessvorrichtung und einen Magnetfeldsensor aufweist. Während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors werden die gemessenen Daten mit abgespeicherten Werten einer Kennlinie verglichen, um eine Ankerposition des Ankers zu ermitteln.
Weiterhin zeichnet sich ein fortwährendes Bestreben ab, die bestehenden elektromagnetischen Aktoren des Standes der Technik zu miniaturisieren, um insbesondere Bauraum einzusparen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Ermittlung von Funktionszuständen und insbesondere Fehlerzuständen eines elektromagnetischen Aktors anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung von Funktionszuständen eines elektromagnetischen Aktors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine dazu geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Ermittlung von Funktionszuständen, insbesondere von Fehlerzuständen eines elektromagnetischen Aktors, werden der Funktionszustand und/oder der Fehlerzustand anhand eines Vergleichs zwischen zumindest einer magnetischer Referenzkennlinie und einer magnetischen Ist-Kennlinie ermittelt. Die magnetische Referenzlinie beschreibt einen verketteten magnetischen Soll-Fluss in Abhängigkeit einer Stromstärke. Die magnetische Ist-Kennlinie beschreibt einen verketteten magnetischen Ist-Fluss in Abhängigkeit der Stromstärke, wobei der verkettete magnetische Ist-Fluss aus einer Strom- und einer Spannungsmessung im Erzeugerkreis des Magnetfelds während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässige sensorlose Funktionsprüfung des elektromagnetischen Aktors, welche auf eine Erfassung und Auswertung von Messwerten für Feldgrößen wie beispielsweise einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Feldstärke verzichtet. Feldgrößen können typischer Weise nur mittels Sensoren an einzelnen Raumpunkten erfasst werden. Dabei ist es oftmals schwierig anhand des Verhaltens des Magnetfelds an diesen Raumpunkten Rückschlüsse auf das gesamte Magnetfeld zu ziehen. Mittels der sensorlosen Ermittlung des verketteten magnetischen Ist-Flusses während des Betriebs anhand einer Strom- und Spannungsmessung wird diese mögliche Fehlerquelle ausgeschlossen und es werden globale Kenngrößen des Magnetfelds bestimmt, so dass insbesondere Fehlerzustände des magnetischen Aktors unterschiedlicher Art sicher identifiziert werden können.
Da der verkettete magnetische Ist-Fluss mittels der Strom- und Spannungsmessung im Erzeugerkreis des Magnetfelds bestimmt wird, erübrigt es sich, den elektromagnetischen Aktor mit zusätzlichen Sensoren zur Messung magnetischer Feldgrößen, wie beispielsweise dem verketteten magnetischen Ist-Fluss, der magnetische Felddichte oder der magnetischen Feldstärke, auszustatten. Die zu einer zuverlässigen Funktionsprüfung notwendigen Größen können insbesondere mittels geeigneter Messvorrichtungen an der Stromzuführung des elektromagnetischen Aktors gemessen werden. Dies hat zur Konsequenz, dass der magnetische Aktor eine besonders kompakte Bauweise aufweist, wobei während des Betriebs auftretende Defekte des elektromagnetischen Aktors mittels des sensorlosen Verfahrens zur Bestimmung des Funktionszustands frühzeitig erkannt werden können. Das Verfahren zur Bestimmung des Funktionszustands ermöglicht zudem graduelle Verschleißerscheinungen des elektromagnetischen Aktors durch Abweichungen der magnetischen Ist-Kennlinie von der magnetischen Referenzkennlinie zu erkennen. Das Verfahren zur Bestimmung des Funktionszustands ist generell auf elektromagnetische Aktoren anwendbar, welche eine Kraft aufgrund des physikalischen Prinzips der Reluktanz erzeugen.
Das Verfahren zur Bestimmung des Funktionszustands kann einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zufolge auf elektromagnetische Aktoren angewandt werden, welche einen bewegbar gelagerten Anker aufweisen, der durch Variierung des Magnetfelds zwischen zumindest zwei Ankerpositionen bewegt wird. Beispielsweise bildet der elektrische Aktor einen Bestandteil eines Magnetventils, wobei der Anker zur Regulierung einer Gas- oder Fluidzufuhr bewegt wird. Als Referenz für so geartete elektromagnetische Aktoren werden zumindest eine erste und eine zweite magnetische Referenzlinie einer Kennlinienschar bestimmt, welche entsprechend zu einer ersten und einer zweiten Ankerposition des Ankers korrespondieren. Bei der Bestimmung der ersten Referenzkennlinien wird der Anker in der vorgebbaren ersten Ankerposition fixiert. Entsprechend wird die zweite Referenzkennlinie bei festgehaltenem Anker in der zweiten Ankerposition bestimmt. Beispielsweise korrespondieren die erste Ankerposition bei der Steuerung eines Magnetventils zu einer geschlossenen Stellung des Magnetventils und die zweite Ankerposition zu einer geöffneten Stellung des Magnetventils. Die Bestimmung der ersten und zweiten magnetischen Referenzkennlinien in festgehaltenen Ankerpositionen eliminiert den Einfluss von dynamischen Faktoren, die von einem beweglichen Anker hervorgerufen werden. Insbesondere lassen sich durch den Vergleich der magnetischen Ist-Kennlinie mit der magnetischen Referenzkennlinie der Kennlinienschar leicht und sicher Indikatorgrößen bestimmen, welche beispielsweise einen Abfall- und/oder Anzugvorgang des Ankers und somit den Funktionszustand des elektromagnetischen Aktors charakterisieren.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der elektromagnetische Aktor zur Steuerung einer Bremsvorrichtung für einen Fahrstuhl oder einen Aufzug verwendet. Die magnetischen Referenzkennlinien und die magnetische Ist-Kennlinie hängen insbesondere von der Auslenkung des Ankers ab, welche die Bremsvorrichtung steuert. Eine Abnutzung bzw. ein Verschleiß von Bremsbelägen der Bremsvorrichtung kann somit auch über die eingenommenen Ankerpositionen überprüft werden. Somit erlaubt das hier vorgestellte Verfahren nicht nur eine Funktionsüberprüfung des elektromagnetischen Aktors selbst, sondern auch die mittelbare Erkennung von Funktions- bzw. Fehlerzuständen des mit dem elektromagnetischen Aktor in einer Wirkverbindung stehenden Stellglieds, welches insbesondere als Bremsvorrichtung oder als Magnetventil ausgebildet sein kann.
In einem Ausbildungsbeispiel der Erfindung wird zunächst eine für den elektromagnetischen Aktor gattungsspezifische oder chargenspezifische magnetische Kennlinie bestimmt. Zur Bestimmung der magnetischen Referenzkennlinie, welche insbesondere zu einer variablen Ankerposition korrespondieren kann, wird diese gattungs- bzw. chargenspezifische magnetische Kennlinie mittels einer Kalibrierung an die spezifischen individuellen Eigenschaften des verwendet elektromagnetischen Aktors angepasst. Somit werden Faktoren, welche von den individuellen elektromagnetischen oder mechanischen Eigenschaften des elektromagnetischen Aktors, wie insbesondere einer Material- oder Bearbeitungsqualität, abhängen, in die magnetische Referenzkennlinie inkorporiert. Mittels des Vergleichs der während des Betriebs ermittelten Ist-Kennlinie und der magnetischen Referenzkennlinie werden Veränderungen erfasst, so dass der Funktionszustand des elektromagnetischen Aktors schnell und sicher charakterisiert werden kann.
Bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zufolge werden zur Ermittlung des Funktionszustands und/oder Fehlerzustands Abschnitte der magnetischen Ist-Kennlinie identifiziert, die zu entsprechenden Abschnitte der magnetischen Referenzkennlinie korrespondieren. Fehlerzustände können beispielsweise identifiziert werden, wenn die magnetische Ist-Kennlinie einen vorgebbaren Toleranzbereich um die magnetische Referenzkennlinie verlässt. Bei einem elektromagnetischen Aktors mit beweglichem Anker kann die ermittelte magnetische Ist-Kennlinie mit den magnetischen Referenzkennlinien verglichen werden, welche zu vorgegebenen und fixierten Ankerpositionen korrespondieren. Bei korrekter Funktionsweise des elektromagnetischen Aktors weist die während des Betriebs ermittelte magnetische Ist-Kennlinie Abschnitte auf, welche zu entsprechenden Abschnitten der magnetischen Referenzkennlinien korrespondieren. Somit kann durch den Abgleich der magnetischen Ist-Kennlinie mit den Referenzkennlinien eine Veränderung des Verhaltens des elektromagnetischen Aktors festgestellt werden. Insbesondere können so Verschleiß und Fehlerzustände des elektromagnetischen Aktors und der mittels des elektromagnetischen Aktors gesteuerten Stellglieder frühzeitig erkannt werden. Dabei wird auf eine explizite Positionsbestimmung des Ankers abgesehen, da es sich gezeigt hat, dass die dazu notwendigen Modellannahmen oftmals für reale Bauteile zu restriktiv sind und somit zu erheblichen Abweichungen vom realen Verhalten des elektromagnetischen Aktors führen. Korrespondiert die magnetische Ist-Kennlinie abschnittsweise mit zumindest einer der magnetischen Referenzkennlinien der Kennlinienschar, so sind allerdings direkte Rückschlüsse auf die gegenwärtige Ankerposition ermöglicht. Insbesondere kann der Anzug- und der Abfallvorgang des Ankers leicht erkannt werden.
Vorzugsweise wird zumindest eine Indikatorgröße bestimmt, welche den Funktionszustand und/oder den Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors charakterisiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von charakterisierenden Indikatorgrößen anhand des Vergleichs zwischen der magnetischen Referenzkennlinie oder Referenzkennlinien und der magnetischen Ist-Kennlinie ermittelt wird. Die Funktionsüberprüfung des elektromagnetischen Aktors kann beispielsweise anhand dieser Indikatorengrößen erfolgen, womit der Auswertevorgang vereinfacht wird. Dabei werden während des Betriebs erfasste Werte für die Indikatorgröße mit entsprechenden Soll-Werten verglichen, um den Funktionszustand des elektromagnetischen Aktors zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Windungsschluss, bei dem ein oder mehrere Windungen der Spule kurzgeschlossen sind, dadurch erkannt werden, wenn der verkettete magnetische Ist-Fluss einen maximalen Soll-Wert nicht mehr erreicht.
In bevorzugten Ausbildungsbeispielen der Erfindung werden als Indikatorgröße ein charakteristischer Wert für die Stromstärke und ein dazu korrespondierender Wert für den verketteten magnetischen Ist-Fluss bestimmt. Insbesondere kann ein zu einem charakteristischen Zeitpunkt erfasste Wert für die Stromstärke und ein dazu korrespondierender Wert für den verketteten magnetischen Ist-Fluss bestimmt werden. Als charakteristischer Zeitpunkt kann beispielsweise der Beginn und/oder das Ende des Anzugs- und/oder Abfallvorgangs des Ankers gewählt werden. Des Weiteren kann der nach Ablauf eines Anschaltvorgangs erzeugte maximale verkettete magnetische Ist-Fluss betrachtet werden. Die Indikatorgrößen entsprechen charakteristischen Punkten der magnetischen Ist-Kennlinie und subsumieren den wesentlichen Verlauf der magnetischen Ist-Kennlinie.
Vorzugsweise wird der Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors oder ein Verschleiß des elektromagnetischen Aktors anhand einer Veränderung der zumindest einen Indikatorgröße festgestellt. So nehmen beispielsweise der magnetische Ist-Fluss und die Stromstärke nach Ablauf eines Einschaltvorgangs charakteristische maximale Werte oder nach Ablauf eines Abschaltvorgangs charakteristische Rücklaufwerte an, die mit den entsprechenden Soll-Werten, welche den entsprechenden magnetischen Referenzkennlinie zu entnehmen sind, verglichen werden können. Die magnetische Ist-Kennlinie wird entsprechend der Indikatorgrößen punktweise mit den magnetischen Referenzkennlinien verglichen, um den Auswerteaufwand zur Bestimmung des Funktionszustands des elektromagnetischen Aktors zu verringern. Dies ermöglicht auf besonders schnelle und einfache Rückschlüsse auf den Fehler-, Verschleiß- und/oder Funktionszustand des elektromagnetischen Aktors.
In einem bevorzugten Ausbildungsbeispiel werden defektspezifische Werte für die Indikatorgrößen abgespeichert und mit den aktuell bestimmten Ist-Werten für die Indikatorgrößen verglichen, um den Funktionszustand oder den Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors zu identifizieren. Somit werden Defektschablonen abgespeichert, welche bekannte Defekte charakterisieren, so dass auch bei einer graduellen Veränderung der Ist-Werte für die Indikatorgröße ein auftretender Defekt frühzeitig erkannt werden kann.
Vorzugsweise wird die magnetische Ist-Kennlinie aus der Strom- und der Spannungsmessung mittels einer numerischen Integration der gemessenen Werte für die Stromstärke und der Spannung ermittelt. Dazu können verschiedene numerische Integrationsmethoden und insbesondere die Trapezmethode zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht insbesondere die sensorlose Bestimmung der das Magnetfeld charakterisierenden Größen.
Eine zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Funktionszuständen geeignete Vorrichtung umfasst den elektromagnetischen Aktor, welcher die Spule zur Erzeugung des Magnetfelds und den beweglich gelagerten Anker aufweist, die Messvorrichtung zur Messung der Stromstärke und der Spannung im Erzeugerkreis des Magnetfelds, zumindest eine Speichereinheit zum Abspeichern magnetischer Referenzkennlinien und/oder Indikatorgrößen und/oder gemessene Werte der Strom- und Spannungsmessung und eine Auswerteeinheit. Mittels der Auswerteeinheit ist die magnetische Ist-Kennlinie mit den magnetischen Referenzkennlinien vergleichbar und/oder Änderungen zumindest einer Indikatorgröße sind erfassbar. Die Speichereinheit kann insbesondere durch entsprechende elektronische Speicherchips wie beispielsweise ein Direktzugriffspeicher (englisch: RAM) realisiert sein. Die Auswerteeinheit kann entsprechend als elektronisches Bauteil wie insbesondere einen Mikrochip, Mikroprozessor oder einen integrierten Schaltkreis ausgeführt sein.
Vorzugsweise sind die zumindest eine Speichereinheit, die zumindest eine Auswerteeinheit und die Messvorrichtung in einer Stromzuführung des elektromagnetischen Aktors integriert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch den Aufbau eines Verfahrens zur Ermittlung eines Funktionszustands eines elektromagnetischen Aktors anhand eines Datenflussdiagramms,
2 Graphen einer Kennlinienschar magnetischer Referenzkennlinien, welche zu verschiedenen festgehaltenen Ankerposition korrespondieren,
3 einen Graphen einer magnetischen Ist-Kennlinie im Vergleich zu den magnetischen Referenzkennlinien der Kennlinienschar,
4 einen Graphen einer magnetischen Ist-Kennlinie eines elektromagnetischen Aktors, welcher einen ersten Defekt aufweist, im Vergleich zu einer magnetischen Referenzkennlinie, welche zu einem funktionstüchtigen Aktor korrespondiert,
5 einen Graphen einer magnetischen Ist-Kennlinie eines elektromagnetischen Aktors, welcher einen zweiten Defekt aufweist, im Vergleich zu einer magnetischen Referenzkennlinie, welche zu einem funktionstüchtigen Aktor korrespondiert,
6 einen Graphen einer magnetischen Ist-Kennlinie eines elektromagnetischen Aktors, welcher einen dritten Defekt aufweist, im Vergleich zu einer magnetischen Referenzkennlinie, welche zu einem funktionstüchtigen Aktor korrespondiert.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Verfahrens zur Ermittlung eines Funktionszustands eines elektromagnetischen Aktors in einem Datenflussdiagramm. Das Verfahren ist insbesondere zur Funktionsprüfung des elektromagnetischen Aktors geeignet, so dass Fehlerzustände schnell und sicher während des Betriebs erkannt werden können.
Der elektromagnetische Aktor weist zumindest eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds auf. Gemäß spezifischen Ausführungsbeispielen weist der elektromagnetische Aktor zudem einen beweglich gelagerten Anker auf, dessen Ankerposition abhängig vom erzeugten Magnetfeld veränderbar ist. Ein so ausgebildeter elektromagnetischer Aktor kann beispielsweise als Magnetventil zur Regulierung einer Gas- oder Flüssigkeitszufuhr dienen. Die Positionierung des Ankers wird im Folgenden durch die Auslenkung δ parametrisiert. Der Anker des Magnetventils ist zwischen einer ersten Ankerposition δ_Min, welche zu einer geschlossenen Stellung des Magnetventils korrespondiert und einer zweiten Ankerposition δ_Max, welche zu einer geschlossenen Stellung des Magnetventils korrespondiert, bewegbar.
Zur Funktionsüberprüfung des elektromagnetischen Aktors wird im Erzeugerkreis des Magnetfelds eine Stromstärke I(t) und eine Spannung U(t) in Abhängigkeit der Zeit t gemessen. Bei bekanntem elektrischem Widerstand R wird aus den gemessenen Größen für die Stromstärke I(t) und der Spannung U(t) mittels der Gleichung
der verketteter magnetische Fluss Ψ(I, δ) ermittelt, welcher von der Stromstärke I und Auslenkung δ des Ankers abhängt.
Zur Ermittlung eines verketteten magnetischen Soll-Flusses Ψ_SOLL oder eines verketteten magnetischen Ist-Flusses Ψ_IST in Abhängigkeit der Stromstärke I und Auslenkung δ wird die Spannung U(t) und die Stromstärke I(t) im Erzeugerkreis des Magnetfelds mittels einer geeigneten Messvorrichtung gemessen. Die Messvorrichtung 1 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Bauraum sparend in der Stromzuführung des elektromagnetischen Aktors integriert.
Die so erfassten Messreihen U(t), I(t) werden anschließend nach Gleichung [1] mittels einer geeigneten numerischen Integrationsmethode, beispielsweise nach dem Trapezverfahren, integriert. Dazu werden die Messreihen U(t), I(t) einer entsprechenden Auswerteeinheit 2, welche in bevorzugten Ausführungsbeispielen als Mikrochip, Mikroprozessor oder einen integrierten Schaltkreis ausgeführt sind, zugeführt. Zur numerischen Lösung von Gleichung [1] weist die Auswerteeinheit 2 eine erste Speichereinheit 2.1 auf, welcher gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als elektronischer Speicherchip realisiert ist.
Als Ergebnis erhält man den verketteten magnetischen Soll-Fluss Ψ_SOLL oder den verketteten magnetischen Ist-Fluss Ψ_IST. Alternativ zur Ermittlung des verketteten magnetischen Soll-Flusses Ψ_SOLL anhand einer Strom- und Spannungsmessung kann dieser auch mittels entsprechender Feldsensoren an einem Teststand gemessen werden.
Der verkettete magnetische Soll-Fluss Ψ_SOLL oder der verkettete magnetische Ist-Fluss Ψ_IST kann gemäß möglicher Ausführungsbeispielen mittels der in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 011 277 A1 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bestimmt werden. Der Offenbarungsgehalt der DE 10 2005 011 277 A1 sei hier durch Verweis in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
Zur Ermittlung des verketteten magnetischen Soll-Flusses Ψ_SOLL eines individuellen elektromagnetischer Aktors wird zunächst ein funktionsfähiger gattungs- bzw. chargenspezifischer elektromagnetischer Aktor ausgewählt, vermessen und eine chargen- bzw. gattungstypische magnetische Kennlinie ermittelt. Diese gattungstypische Kennlinie wird bei der Ermittlung des verketteten magnetischen Soll-Fluss Ψ_SOLL des individuellen elektromagnetischer Aktors zugrunde gelegt und gegebenenfalls angepasst bzw. kalibriert. So kann beispielsweise ein defekter elektromagnetischer Aktor frühzeitig identifiziert werden. Des Weiteren wird der Bearbeitungs- und/oder Materialqualität insbesondere eines in die Spule eingebrachten ferromagnetischen Materials Rechnung getragen. Die individuellen Eigenschaften des elektromagnetischen Aktors werden so in eine magnetische Referenzkennline, welche den verketteten magnetischen Soll-Fluss Ψ_SOLL in Abhängigkeit der Stromstärke I und der Auslenkung δ beschreibt, inkorporiert.
Beispielsweise kann das chargenspezifische Verhalten phänomenologisch als Matrix beschrieben und abgespeichert werden, wobei die Einträge der Matrix in einem späteren Verfahrensschritt an Messwerte, welche an dem tatsächlich verwendeten elektromagnetischen Aktor gemessen werden, unter Mittelwertbildung angepasst werden.
Einem bevorzugten Ausbildungsbeispiel der Erfindung zufolge wird eine Kennlinienschar magnetischer Referenzkennlinien ermittelt, wobei die jeweiligen magnetischen Referenzkennlinien der Kennlinien zu festgehaltenen Ankerpositionen korrespondieren.
2 zeigt zwei magnetische Referenzkennlinien, welche die Abhängigkeit des verketteten magnetischen Soll-Flusses Ψ_SOLL in Abhängigkeit der Stromstärke I zeigen. Dabei korrespondiert eine erste magnetische Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Min) zu der ersten Ankerposition δ_Min und eine zweite magnetische Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Max) zu der zweiten Ankerposition δ_Max.
Alternativ dazu kann auch eine dynamische magnetische Referenzkennlinie ermittelt werden, welche zu einem elektromagnetischen Aktor mit variabler Ankerposition korrespondiert.
Die magnetische Referenzlinie wird, wie in 1 gezeigt, zum späteren Vergleich mit der während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors ermittelten magnetischen Ist-Kennlinien Ψ_IST(I, δ) in einer zweiten Speichereinheit 3 abgelegt.
Zur Funktionsüberprüfung des elektromagnetischen Aktors wird die magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) mit der werkseitig abgespeicherten magnetischen Referenzlinie verglichen. Die Auswertung der entsprechenden Datenreihen kann mittels der Auswerteeinheit 2 geschehen. Alternativ dazu kann auch eine weitere und nicht näher dargestellte Auswerteeinheit vorgesehen sein, welche entsprechend der Auswerteeinheit 2 als digitaler Signalcontroler oder als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgeführt sein kann.
3 illustriert grafisch den Vergleich der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) mit der ersten magnetischen Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Min) und der zweiten magnetischen Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Max) der Kennlinienschar. Bei korrekter Funktionsweise des elektromagnetischen Aktors korrespondiert die magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ), welche den verketteten magnetischen Ist-Fluss Ψ_IST in Abhängigkeit der Stromstärke I zeigt, zumindest abschnittsweise mit einer der beiden magnetischen Referenzkennlinien (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max)) der Kennlinienschar. Daraus lässt sich insbesondere die gegenwärtige Ankerposition abschätzen.
So ist dem Verlauf der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) ein erster Abschnitt A1 zu entnehmen, welcher im Wesentlichen dem Verlauf eines korrespondierenden Abschnitts der ersten magnetischen Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Min) entspricht. Der Anker befindet sich somit in der ersten Ankerposition δ_Min. Entsprechend ist dem Verlauf der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) ein zweiter Abschnitt A2 zu entnehmen, welcher zum Verlauf der zweiten magnetischen Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ_Max) korrespondiert. Der Anker befindet sich somit in der zweiten Ankerposition δ_Max. Jeweils den ersten Abschnitt A1 und den zweiten Abschnitt A2 verbindende dritte und vierte Abschnitte A3 und A4 der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) lassen sich mittels des Vergleichs mit den magnetischen Referenzkennlinien (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max)) identifizieren. Dabei korrespondiert der dritte Abschnitt A3 der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) zu einem Anzugsvorgang des Ankers, bei dem der Anker entsprechend von der zweiten Ankerposition δ_Max zur ersten Ankerposition δ_Min wechselt. Entsprechend korrespondiert der vierte Abschnitt A4 zu einem Abfallvorgang des Ankers, bei dem der Anker zurück von der ersten Ankerposition δ_Min zur ersten Ankerposition δ_Max wechselt.
Anhand des Verlaufs der magnetischen Ist-Kennlinien Ψ_IST(I, δ) und der oder den magnetischen Referenzkennlinien kann der Funktionszustand bzw. der Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors schnell und zuverlässig ermittelt werden.
4 bis 6 zeigen charakteristische Verläufe magnetischer Ist-Kennlinien Ψ_IST(I, δ), welche zu verschiedenen Defektzuständen korrespondieren. Da die magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) des elektromagnetischen Aktors unter realen Betriebsbedingungen ermittelt wird, ist eine frühzeitige Erkennung einer Fehlfunktion des elektromagnetischen Aktors sichergestellt. Die hier abgebildeten dynamischen magnetischen Referenzlinien Ψ_SOLL(I, δ) korrespondieren zu einem beweglichen Anker, welcher sich zwischen der ersten und der zweiten Ankerposition δ_Min, δ_Max, bewegt.
4 zeigt die charakteristische magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) eines elektromagnetischen Aktors, welcher einen ersten Defekt aufweist. Im Vergleich dazu ist die dynamische magnetische Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ) des funktionstüchtigen elektromagnetischen Aktors gezeigt. Bei dem vorliegenden ersten Defekt erreicht der Anker als Endlage die erste Ankerposition δ_Min nicht vollständig. Dies ist daran zu erkennen, dass ein zu einer maximalen Stromstärke I_Max korrespondierender Wert für den maximalen Ist-Fluss Ψ_IST,Max den entsprechenden Wert für den maximalen Soll-Fluss Ψ_SOLL,Max nicht erreicht.
5 zeigt eine magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) eines elektromagnetischen Aktors mit einem zweiten Defekt, bei dem der Anker in der zweiten Ankerposition δ_Max verklemmt ist. Der gezeigten magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) fehlen die für den Anzug- und den Abfallvorgang des Ankers charakteristische dritte und vierte Abschnitte A3, A4. Im Gegensatz dazu ist der zum Anzugsvorgang korrespondierende dritte Abschnitt A3 und der zum Abfallvorgang korrespondierende vierte Abschnitt A4 bei der dynamischen magnetischen Referenzkennlinie Ψ_SOLL(I, δ) leicht zu identifizieren.
Entsprechend zeigt 6 eine magnetische Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) einen dritten Defekt, bei dem der Anker in der ersten Ankerposition δ_Min verklemmt ist. Der Anker fällt nicht mehr ab. Zur Unterscheidung zwischen den in 5 gezeigten zweiten Defekt und den in 6 gezeigten dritten Defekt kann beispielsweise der zu der maximalen Stromstärke I_Max korrespondierende Wert für den maximalen Ist-Fluss Ψ_IST,Max betrachtet werden. Ist der Anker in der ersten Ankerposition δ_Min verklemmt, so erreicht der maximale Ist-Fluss Ψ_IST,Max, im Gegensatz zu dem in 5 dargestellten Beispiel den Wert für den maximalen Soll-Fluss Ψ_SOLL,Max.
Anhand des Vergleichs der magnetischen Referenzkennlinien Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ) mit den magnetischen Ist-Kennlinien Ψ_IST(I, δ) können, wie in 1 schematisch gezeigt, charakterisierende Indikatorgrößen bestimmt werden. Dazu werden die magnetischen Referenzkennlinien Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ) und die magnetischen Ist-Kennlinien Ψ_IST(I, δ) an charakteristischen Punkten ausgewertet. Als Indikatorgröße kann beispielsweise der zur maximalen Stromstärke I_Max korrespondierende maximale Wert für den verketteten magnetischen Ist-Fluss Ψ_IST,Max gewählt werden. Entsprechende Soll-Werte N_SOLL für die Indikatorgrößen N, wie beispielsweise der Wert für den maximalen Soll-Fluss Ψ_SOLL,Max, können in der zweiten Speichereinheit 3 oder in einer bauartähnlichen zusätzlichen Speichereinheit zum späteren Vergleich den abgelegt werden.
Alternativ oder zusätzlich können die als Indikatorgrößen N entsprechende Schaltzeiten, Schaltströme und/oder Klemmspannung erfasst werden.
Einem bevorzugtem Ausbildungsbeispiel der Erfindung zufolge wird eine Vielzahl von Indikatorgrößen N bestimmt, die den Verlauf der magnetischen Ist-Kennlinie Ψ_IST(I, δ) charakterisieren. Dazu können als Indikatorgröße N Wertepaare für den verketteten magnetischen Ist-Fluss Ψ_IST und die dazu korrespondierende Stromstärke I gewählt werden, welche beispielsweise zu Beginn und/oder am Ende des Anzug- und/oder des Abfallvorgangs des Ankers vorliegen. Als entsprechende Soll-Werte N_SOLL werden entsprechende Werte für den verketteten magnetischen Soll-Fluss Ψ_SOLL abgespeichert.
Ebenso können Soll-Werte N_SOLL für Indikatorgrößen N abgespeichert werden, welche zu bekannten Defektzuständen des elektromagnetischen Aktors korrespondieren. Die Soll-Werte N_SOLL werden mit den Indikatorgrößen N verglichen. So können insbesondere Änderungen der Indikatorgrößen N einer oder mehrer Indikatorgrößen einer bekannten Fehlerart zugeordnet werden. Beispielsweise werden charakteristische Soll-Werte N_SOLL für die Indikatorgrößen N abgelegt, welche zu einem elektromagnetischen Aktor mit verklemmtem Anker oder zu einem elektromagnetischen Aktor mit einem ermüdeten oder gebrochenen Federelement korrespondieren. Der Vergleich mit den während des Betriebs ermittelten Indikatorgrößen N mit den Soll-Werten N_SOLL entspricht im Prinzip einer punktweisen Auswertung der zugrunde liegenden magnetischen Referenzkennlinien Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ) und der magnetische Referenzlinien Ψ_IST(I, δ). Dies verringert den Auswertevorgang erheblich, welcher in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels einer Qualitätsregelkarte 4 erfolgt. Die Qualitätsregelkarte 4 liefert eine Rückmeldung M über den technischen Zustand des elektromagnetischen Aktors, so dass dieser bei Bedarf ausgewechselt werden kann.
Mittels des hier vorgestellten Verfahren zur Ermittlung des Funktionszustands des elektromagnetischen Aktors lassen sich Fehlfunktionen zuverlässig erkennen. Insbesondere können Defekte, bei denen der Anker eine Endlage nicht erreicht, kein Schaltvorgang stattfindet oder ein Windungsschluss vorliegt, sicher erkannt werden. Beginnende Verschleißerscheinungen können beispielsweise anhand der Veränderung der Indikatorgrößen abgelesen werden. Eine vorausschauende Rückmeldung M kann dann zum Austausch des elektromagnetischen Aktors auffordern. Dies vereinfacht die Wartung des elektromagnetischen Aktors und ermöglicht eine Verlängerung des Serviceintervalls.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Auswerteeinheit
2.1: erste Speichereinheit
3: zweite Speichereinheit
4: Qualitätsregelkarte
Ψ_SOLL: verketteter magnetischen Soll-Flusses
Ψ_IST: verketteter magnetischen Ist-Flusses
Ψ_SOLL(I, δ_Min): erste magnetische Referenzkennlinie
Ψ_SOLL(I, δ_Max): zweite magnetische Referenzkennlinie
Ψ_SOLL(I, δ): dynamische magnetische Referenzlinien
Ψ_IST(I, δ): magnetische Ist-Kennlinie
δ_Min: erste Ankerposition
δ_Max: zweite Ankerposition
I, I(t): Stromstärke
U, U(t): Spannung
t: Zeit
A1: erster Abschnitt
A2: zweiter Abschnitt
A3: dritter Abschnitt
A4: vierter Abschnitt
I_Max: maximale Stromstärke
Ψ_IST,Max: maximaler Ist-Fluss
Ψ_SOLL,Max: maximaler Ist-Fluss
N: Indikatorgröße
N_SOLL: Soll-Wert für die Indikatorgrößen
M: Rückmeldung

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 102009042777 A1 [0003]
DE 102005011277 A1 [0037, 0037]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Funktionszuständen, insbesondere von Fehlerzuständen eines elektromagnetischen Aktors, wobei der Funktionszustand und/oder der Fehlerzustand anhand eines Vergleichs zumindest einer magnetischer Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)), welche einen verketteten magnetischen Soll-Fluss (Ψ_SOLL) in Abhängigkeit einer Stromstärke (I) beschreibt, und einer magnetischen Ist-Kennlinie (Ψ_IST(I, δ)), welche einen verketteten magnetischen Ist-Fluss (Ψ_IST) in Abhängigkeit der Stromstärke (I) beschreibt, ermittelt wird, wobei der verkettete magnetische Ist-Fluss (Ψ_IST) aus einer Strom- und einer Spannungsmessung (I(t), U(t)) im Erzeugerkreis des Magnetfelds während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennlinienschar magnetischer Referenzkennlinien (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)) erfasst wird, die zumindest eine erste magnetische Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min)) umfasst, welche zu einer vorgebbaren ersten Ankerposition δ_Min eines bewegbaren Ankers des elektromagnetischen Aktors korrespondiert und zumindest eine zweite magnetische Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Max)) umfasst, welche zu einer vorgebbaren zweiten Ankerposition δ_Max des Ankers korrespondiert, wobei bei der Bestimmung der ersten magnetischen Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min)) der Anker in der ersten Ankerposition δ_Min fixiert ist und bei der Bestimmung der zweiten magnetischen Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Max)) der Anker in der zweiten Ankerposition δ_Max fixiert ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den elektromagnetischen Aktor gattungsspezifische oder chargenspezifische magnetische Kennlinie bestimmt wird, welche zur Bestimmung der magnetischen Referenzlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)) mittels einer Kalibrierung an die spezifischen individuellen Eigenschaften des elektromagnetischen Aktors angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Funktionszustands und/oder Fehlerzustands Abschnitte (A1, A2) der magnetischen Ist-Kennlinie (Ψ_IST(I, δ)) identifiziert werden, die zu entsprechenden Abschnitte der magnetischen Referenzkennlinie (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)) korrespondieren.
Verfahren nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Indikatorgröße (N) bestimmt wird, welche den Funktionszustand und/oder den Fehlerzustand charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Indikatorgröße (N) charakteristische Werte für die Stromstärke und dazu korrespondierende Werte für den verketteten magnetischen Ist-Fluss (Ψ_IST) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors und/oder ein Verschleiß des elektromagnetischen Aktors anhand einer Veränderung der zumindest einen Indikatorgröße (N) festgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass defektspezifische Werte (N_SOLL) für die Indikatorgrößen (N) abgespeichert werden und diese defektspezifischen Werte (N_SOLL) mit den aktuell bestimmten Werten für die Indikatorgrößen (N) verglichen werden, um den Funktionszustand oder den Fehlerzustand des elektromagnetischen Aktors zu identifizieren.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Ist-Kennlinie (Ψ_IST(I, δ)) aus der Strom- und der Spannungsmessung mittels einer numerischen Integration der gemessenen Werte für die Stromstärke (I(t)) und der Spannung (U(t)) ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung von Funktionszuständen gemäß einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen elektromagnetischen Aktor mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds und einem beweglich gelagerten Anker, eine Messvorrichtung (1) zur Messung einer Stromstärke (I(t)) und einer Spannung (U(t)) im Erzeugerkreis des Magnetfelds, zumindest einer Speichereinheit (3) zum Abspeichern magnetischer Referenzkennlinien (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)) und/oder Indikatorgrößen (N) und zumindest einer Auswerteeinheit (2) mittels derer magnetische Ist-Kennlinien (Ψ_IST(I, δ)) mit den magnetischen Referenzkennlinien (Ψ_SOLL(I, δ_Min), Ψ_SOLL(I, δ_Max), Ψ_SOLL(I, δ)) vergleichbar sind und/oder Änderungen der zumindest einer Indikatorgröße (N) erfassbar sind.