DE102011083007A1

DE102011083007A1 - Verfahren und Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators

Info

Publication number: DE102011083007A1
Application number: DE102011083007A
Authority: DE
Inventors: Florian Weinl; Michael Pantke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: DE102011083007B4; WO2013041283A1; US9337766B2; CN103814418A; EP2758972A1; US20140203753A1; JP2014526876A

Abstract

Es wird ein Verfahren (700) zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators vorgeschlagen. Der elektromagnetische Aktuator weist zumindest eine Spule und einen beweglichen Anker auf. Das Verfahren (700) weist einen Schritt des Entmagnetisierens (710) des elektromagnetischen Aktuators durch Leiten einer Folge von elektrischen Strompulsen mit von Strompuls zu Strompuls abwechselnder Stromrichtung und von Strompuls zu Strompuls abnehmender Stromstärke durch die zumindest eine Spule auf, um eine Remanenzflussdichte in dem elektromagnetischen Aktuator zu reduzieren oder zu beseitigen. Das Verfahren (700) weist auch einen Schritt des Bestimmens (720) einer Position des beweglichen Ankers durch Leiten eines Messstrompulses durch die zumindest eine Spule nachfolgend auf den Schritt des Entmagnetisierens (710) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators und auf eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators.
Ein elektromagnetischer Aktuator weist zumindest einen Anker und z. B. zwei Spulen auf. Der Aktuator kann ferner zwei Permanentmagneten aufweisen. Die Lage des Ankers bildet in den Spulen unterschiedliche Induktivitäten aus. Bei einem Verfahren zur Ansteuerung des Aktuators kann beispielsweise während einer sprunghaft ansteigenden Bestromung der Spannungsverlauf an den beiden Spulen gemessen werden. Aus diesen Messdaten kann beispielsweise in einem Differenzbildner ein dritter Spannungsverlauf bzw. ein Sensorsignal berechnet werden, aus dem eine Logikeinheit die Position des Ankers bestimmen kann. Somit kann eine Positionsbestimmung durch Auswertung der an den Spulen vorherrschenden Induktivitäten erfolgen.
Bei ferromagnetischen Materialien ist der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und Flussdichte B nichtlinear und hängt von der Vorgeschichte ab. Verantwortlich hierfür sind magnetische Flussdichten, welche die Induktivität und somit das Sensorsignal beeinflussen. Die magnetische Flussdichte in ferromagnetischen Bauteilen hängt von der Stärke des vorherrschenden Magnetfelds ab. Geht das vorherrschende Magnetfeld zurück bleibt ein Restmagnetismus in ferromagnetischen Bauteilen existent. Abhängig von der Richtung und Stärke des zuvor eingestellten Magnetfelds kann die Flussdichte des zurückbleibenden Ferromagneten variieren. Da die magnetische Flussdichte ausgewertet werden soll, kann sich folglich ein durch unterschiedliche Vorgeschichte fehlerbehaftetes Positionssignal ergeben. Bei Messgeräten und Sensoren ist dieser Effekt nicht erwünscht, stellt sich aber häufig ein, insbesondere dann, wenn magnetische Systeme Bestandteil des Messwertaufnehmers sind. Zudem beeinflussen Temperaturschwankungen den zurückbleibenden Restmagnetismus und somit wiederum die Positionserfassung.
Die WO 2010/049200 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionserfassung eines zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators und eine verbesserte Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators, gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators, der zumindest eine Spule und einen beweglichen Anker aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

– Entmagnetisieren des elektromagnetischen Aktuators durch Leiten einer Folge von elektrischen Strompulsen mit von Strompuls zu Strompuls abwechselnder Stromrichtung und von Strompuls zu Strompuls abnehmender Stromstärke durch die zumindest eine Spule, um eine Remanenzflussdichte in dem elektromagnetischen Aktuator zu reduzieren oder zu beseitigen; und
– Bestimmen einer Position des beweglichen Ankers durch Leiten eines Messstrompulses durch die zumindest eine Spule nachfolgend auf den Schritt des Entmagnetisierens.

Unter dem elektromagnetischen Aktuator kann ein Aktor bzw. Wandler verstanden werden, der elektronische Signale bzw. elektrischen Strom mittels Elektromagnetismus beispielsweise in mechanische Bewegung umwandeln kann. Diese Umwandlung kann mittels der zumindest einen Spule erzielt werden. Wicklungen der zumindest einen Spule können einen Bewegungsraum des beweglichen Ankers zumindest teilweise umgeben. Bei dem beweglichen Anker kann es sich um einen Magnetanker oder dergleichen handeln. Der bewegliche Anker kann mechanisch mit einem Element verbunden sein, das bewegt werden soll. Auch kann der bewegliche Anker durch eine Bewegung des Elementes, mit dem derselbe mechanisch verbunden ist, bewegt werden. Der bewegliche Anker kann aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Auch andere Komponenten des elektromagnetischen Aktuators können aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Der bewegliche Anker kann elektromagnetisch bewegt werden, wenn an die zumindest eine Spule ein elektrischer Strom angelegt wird. Auch können mehrere bewegliche Anker in dem elektromagnetischen Aktuator vorgesehen sein. Das Entmagnetisieren bewirkt eine Verringerung oder Löschung bzw. Beseitigung der Remanenzflussdichte. Die Remanenzflussdichte kann auch als magnetische Remanenz oder auch remanenter bzw. zurückbleibender Magnetismus, Restmagnetismus, Restmagnetisierung oder magnetische Hysterese bezeichnet werden. Bei der Remanenzflussdichte handelt es sich um die magnetische Flussdichte, welche in einem zuvor durch ein z. B. mittels der zumindest einen Spule erzeugtes Magnetfeld magnetisierten Teilchen eines ferromagnetischen Materials nach Entfernen des Magnetfeldes zurückbleibt. Bei dem Entmagnetisieren wird ein Wechsel-Magnetfeld angelegt, das zunächst die Koerzitivfeldstärke aufweist und dessen Feldstärke dann allmählich abklingt. Durch die Entmagnetisierung kann bewirkt werden, dass ein dauermagnetisch gewordenes ferromagnetisches Material seine magnetische Polarisierung verliert. Ein solches Wechsel-Magnetfeld kann durch die Folge elektrischer Strompulse erzeugt werden. Dabei wird die zumindest eine Spule des elektromagnetischen Aktuators mit abwechselnder Stromrichtung bestromt. Die elektrischen Strompulse in der Folge von elektrischen Strompulsen weisen eine abnehmende Stromstärke bzw. Amplitude auf. Ein elektrischer Strompuls weist somit eine entgegengesetzte Stromrichtung sowie eine größere Stromstärke bezüglich eines unmittelbar folgenden elektrischen Strompulses auf. Somit weist ein elektrischer Strompuls eine entgegengesetzte Stromrichtung sowie eine geringere Stromstärke bezüglich eines unmittelbar vorhergehenden elektrischen Strompulses auf. Bei dem Entmagnetisieren werden somit durch die Folge von elektrischen Strompulse eine Reihe von Hystereseschleifen durchlaufen, bis die Remanenzflussdichte null oder beinahe null wird. Eine Position des beweglichen Ankers bezüglich der Spule kann mittels des Messstrompulses bestimmt werden. Zur Bestimmung der Position können auch mehrere Messstrompulse durch die zumindest eine Spule geleitet werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators, der zumindest eine Spule und einen beweglichen Anker aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung Einrichtungen aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte des oben genannten Verfahrens auszuführen.
Die Ansteuervorrichtung kann mit dem elektromagnetischen Aktuator mittels einer Kommunikationsschnittstelle verbunden sein. Die Ansteuervorrichtung kann an dem elektromagnetischen Aktuator angebracht oder getrennt von demselben angeordnet sein. In Verbindung mit der obigen Ansteuervorrichtung kann ein oben genanntes Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ausgeführt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vor einer Positionsbestimmung mittels eines elektromagnetischen Aktuators eine Entmagnetisierung der ferromagnetischen Bestandteile des elektromagnetischen Aktuators durchgeführt wird, um eine Remanenzflussdichte in den ferromagnetischen Bestandteilen des elektromagnetischen Aktuators möglichst zu beseitigen, so dass eine Positionsbestimmung vorteilhaft möglich ist. Ein idealer Arbeitspunkt für die Positionsbestimmung und somit die geringste Abweichung von Temperatur und Vorgeschichte stellt sich bei einer geringen Flussdichte ein. Um die Flussdichte zu minimieren, ist die Entmagnetisierung im Aktuator anzustreben. Zur Entmagnetisierung wird beispielsweise von einer Sättigungsfeldstärke mit allmählich absinkenden Feldstärkewerten ummagnetisiert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Remanenz- bzw. Hystereselöschung zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Positionssensierung bei einem elektromagnetischen Aktuator durchgeführt wird. Somit kann ein zu Beginn der Positionsbestimmung bzw. Positionsmessung definierter und konstanter magnetischer Ausgangszustand innerhalb des Aktuators erreicht werden. Zusätzlich ist somit ein von der Temperatur nahezu unabhängiger magnetischer Ausgangszustand bzw. Arbeitspunkt möglich. Daher ist eine Positionsmessung bei einer externen Ankerbewegung – d. h. einer Ankerbewegung ohne Bestromung – deutlich weniger oder beinahe gar nicht mehr fehlerbehaftet. Durch die vorliegende Erfindung, die z. B. einen Ansteueralgorithmus zur Remanenzlöschung liefert, kann diese vorteilhafte Wirkung erzielt werden. Aufgrund der wegen der Entmagnetisierung geringen Flussdichte und der damit verbundenen geringeren Permeabilität innerhalb des Bauteils bleibt das Magnetfeld über längere Zeit konstant bzw. kommt es zu einer geringeren Desakkomodation. Auch ist aufgrund der geringeren Flussdichte im Bauteil der Einfluss durch Alterung geringer. Ferromagnetische Materialien besitzen unterschiedliche Magnetfeldstärke-Flussdichte-Kurven bzw. BH-Kurven. Die vorliegende Erfindung kann für alle ferromagnetischen Bauteile angewendet werden. Dabei kann der Entmagnetisierungsvorgang beispielsweise durch gezielte Auswahl der Zyklenanzahl und Bestromungslänge für verschiedene Aktuatoren optimiert werden. Dies kann zudem angewendet werden, wenn ein Aktuator eine Vielzahl an unterschiedlichen ferromagnetischen Bauteilen in einer Komponente vereint. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine Gewinnung einer Positionsinformation ohne Verwendung eines zusätzlichen Positionssensors, was Platz, Kosten und Gewicht spart.
Hierbei können im Schritt des Entmagnetisierens ein erster elektrischer Strompuls, der eine erste Stromrichtung und eine erste Stromstärke aufweist, und ein nachfolgender, zweiter elektrischer Strompuls, der eine zu der ersten Stromrichtung unterschiedliche, zweite Stromrichtung und eine zweite Stromstärke aufweist, die geringer als die erste Stromstärke ist, durch die zumindest eine Spule geleitet werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auf diese Weise das Entmagnetisieren besonders wirksam ausgeführt werden kann.
Auch kann im Schritt des Entmagnetisierens zumindest ein weiterer elektrischer Strompuls, der bezüglich eines unmittelbar vorhergehenden Strompulses eine entgegengesetzte Stromrichtung sowie eine geringere Stromstärke aufweist, durch die zumindest eine Spule geleitet werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auf diese Weise das Entmagnetisieren besonders wirksam ausgeführt werden kann.
So kann im Schritt des Entmagnetisierens die Folge von elektrischen Strompulsen eine von Strompuls zu Strompuls sinkende Dauer des Stromflusses durch die Spule aufweisen. Dabei beeinflusst die Dauer des Stromflusses durch die Spule bzw. Bestromungszeit die Stromstärke bzw. Amplitude des elektrischen Strompulses. Je länger die Dauer des Stromflusses durch die Spule ist, desto größer ist die Amplitude. Je kürzer die Dauer des Stromflusses durch die Spule, desto geringer ist die Amplitude. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die sinkende Stromstärke auf diese Weise durch von Puls zu Puls sinkende Dauer des Stromflusses durch die Spule einfach und wirksam realisiert werden kann.
Ferner kann im Schritt des Bestimmens eine Stromstärke des Messstrompulses geringer sein als eine geringste der Stromstärken der Strompulse aus dem Schritt des Entmagnetisierens. Im Gegensatz zu den Hystereseschleifen der Entmagnetisierung lässt die durch einen Sensierzyklus zur Positionsbestimmung des Ankers eingebrachte magnetische Feldstärke keine Flussdichteänderung im Ferromagneten zu. Die Ursache hierfür liegt in der nur geringen Beaufschlagung magnetischer Feldstärken mittels des Messstrompulses. Es werden zum Beispiel lediglich vereinzelte Weiß‘sche Bezirke umgekippt. Der Arbeitspunkt liegt somit aufgrund reversiblen Magnetfeldes im Wesentlichen stets im gleichen Bereich.
Zudem kann ein Schritt des Leitens eines Bewegungsstrompulses durch die zumindest eine Spule vorgesehen sein, um eine Bewegung des Ankers zu bewirken. Dabei kann eine Stromstärke des Bewegungsstrompulses größer sein als eine größte der Stromstärken der Strompulse aus dem Schritt des Entmagnetisierens. Der Bewegungsstrompuls, der aufgrund der zu bewirkenden Bewegung des Ankers eine bestimmte Größe haben muss, kann ein Magnetfeld mit der Sättigungsfeldstärke bewirken. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Aktuatorikfunktion des elektromagnetischen Aktuators wirksam ausgeführt werden kann.
Dabei kann der Schritt des Entmagnetisierens nach dem Schritt des Leitens und vor dem Schritt des Bestimmens ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auch nach einer Bestromung zur Bewegung des beweglichen Ankers aufgrund der Entmagnetisierung eine vor Verfälschung durch magnetische Remanenz weitestgehend geschützte Positionsbestimmung ermöglicht wird.
Es kann im Schritt des Bestimmens eine Reaktion der zumindest einen Spule auf den beweglichen Anker in dem Messstrompuls ausgewertet werden. Die Position des beweglichen Ankers beeinflusst ein durch den Strompuls erzeugtes Magnetfeld der zumindest einen Spule, um die Position des beweglichen Ankers zu bestimmen. Dieser Einfluss auf das Magnetfeld kann als Reaktion beispielsweise in einer an der Spule abgreifbaren Spannung ausgewertet werden. Somit kann die Position des beweglichen Ankers bezüglich der Spule bestimmt werden. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auf diese Weise die Position des beweglichen Ankers einfach und genau bestimmt werden kann. Zudem kann die Position mittels der zumindest einen Spule bestimmt werden, die in dem elektromagnetischen Aktuator bereits vorhanden ist, so dass Kosten, Platz und Bauelemente eingespart werden können. Der elektromagnetische Aktuator kann somit die Funktionen der Aktuatorik sowie der Positionserfassung seines Ankers liefern.
Gemäß einer Ausführungsform, wobei der elektromagnetische Aktuator eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, kann im Schritt des Entmagnetisierens die Folge von elektrischen Strompulsen durch die Reihenschaltung der ersten Spule und der zweiten Spule geleitet werden. Auch kann im Schritt des Bestimmens der Messstrompuls durch die Reihenschaltung aus der ersten Spule und der zweiten Spule geleitet werden. Die erste Spule und die zweite Spule können dabei in Reihe geschaltet sein. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Bewegung des beweglichen Ankers noch wirksamer durchgeführt werden kann und eine Bestimmung der Position des beweglichen Ankers noch genauer erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elektromagnetischen Aktuator um einen Fahrzeugaktuator, insbesondere eines landgebundenen Fahrzeugs. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren allerdings auch bei anderen geeigneten elektromagnetischen Aktuatoren eingesetzt werden, beispielsweise bei einem Aktuator eines Luftfahrzeugs, eines Seefahrzeugs oder einer stationären Einrichtung. Des Weiteren kann es sich bei dem elektromagnetischen Aktuator um einen Getriebeaktuator handeln, d.h. einem Aktuator, der die Ausführung von Funktionen eines Getriebes, beispielsweise die Koppelung oder Entkoppelung von Getriebewellen und/oder Zahnrädern, bewirkt. Hierbei wird einfach und zuverlässig anhand der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Position des beweglichen Ankers die Ausführung der Funktion des Getriebes, welche der Aktuator bewirkt, überwacht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Aktuator um einen Getriebeaktuator eines mehrgängigen automatisierten Schaltgetriebes. Mittels des Aktuators erfolgt dabei insbesondere eine Auswahl einer Schaltgasse des automatisierten Schaltgetriebes und/oder ein Einlegen bzw. Auslegen des Ganges in der jeweils gewählten Schaltgasse. Hierbei wird einfach und zuverlässig anhand der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Position des beweglichen Ankers der momentan eingelegte Gang bzw. die momentan gewählte Schaltgasse des automatisierten Schaltgetriebes detektiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 3 schematische Darstellungen elektromagnetischer Aktuatoren;
4 ein schematisches Hysteresediagramm;
5 ein schematisches Hysteresediagramm in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Bestromungsdiagramm in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators 100. Der elektromagnetische Aktuator 100 weist eine erste Spule 110, eine zweite Spule 120, einen beweglichen Magnetanker bzw. beweglichen Anker 130 und einen Verbindungsstab 135 auf. Der Aufbau eines solchen elektromagnetischen Aktuators 100 ist einem Fachmann auf dem Gebiet hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle lediglich knapp erläutert. Die erste Spule 110 und die zweite Spule 120 umgeben einen Bewegungsraum des beweglichen Ankers 130. Der bewegliche Anker 130 ist ausgebildet, um sich in dem Bewegungsraum zu bewegen. Der Bewegungsraum ist ausgebildet, um eine definierte Bewegung des beweglichen Ankers 130 zu ermöglichen. Somit umgeben Wicklungen der ersten Spule 110 sowie Wicklungen der zweiten Spule 120 den Bewegungsraum des beweglichen Ankers 130. Der Bewegungsraum kann eine Haupterstreckungsachse aufweisen, welche durch die erste Spule 110 sowie die zweite Spule 120 verläuft. In der Darstellung von 1 ist der bewegliche Anker 130 zum Teil von der ersten Spule 110 umgeben und zum Teil von der zweiten Spule 120 umgeben. Die erste Spule 110 ist von der zweiten Spule 120 lateral beabstandet. Der Verbindungsstab 135 ist mit dem beweglichen Anker 130 verbunden. Der Verbindungsstab 135 erstreckt sich dabei aus einem Gehäuse des elektromagnetischen Aktuators 100 heraus. Der Verbindungsstab 135 kann mit einem beweglichen Element außerhalb des elektromagnetischen Aktuators 100 verbunden werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren elektromagnetischen Aktuators 200. Der elektromagnetische Aktuator 200 entspricht dem elektromagnetischen Aktuator aus 1 mit der Ausnahme, dass der in 2 gezeigte elektromagnetische Aktuator 200 zusätzlich einen ersten Permanentmagneten 240 und einen zweiten Permanentmagneten 250 aufweist und dass der Verbindungsstab 135 mit zwei Seiten des beweglichen Ankers 130 verbunden ist. Zudem ist in 2 ein Gehäuse des elektromagnetischen Aktuators 200 detaillierter gezeigt. So ist beispielsweise in 2 der Bewegungsraum des beweglichen Ankers 130 explizit dargestellt. Der bewegliche Anker 130 ist in dem Bewegungsraum aufgenommen. Der bewegliche Anker 130 kann sich in dem Bewegungsraum zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Bewegungsraums bewegen. Der erste Permanentmagnet 240 und der zweite Permanentmagnet 250 sind zwischen der ersten Spule 110 und der zweiten Spule 120 angeordnet. Der Bewegungsraum ist zwischen dem ersten Permanentmagneten 240 und dem zweiten Permanentmagneten 250 angeordnet. Somit sind der erste Permanentmagnet 240 sowie der zweite Permanentmagnet 250 einander über den Bewegungsraum gegenüberliegend angeordnet. Der Verbindungsstab 135 erstreckt sich an dem ersten Ende des Bewegungsraums aus dem elektromagnetischen Aktuator 200 heraus und erstreckt sich an dem zweiten Ende des Bewegungsraums aus dem elektromagnetischen Aktuator 200 heraus. Der Verbindungsstab 135 ist an beiden Enden des Bewegungsraums in dem Gehäuse des elektromagnetischen Aktuators 200 aufgenommen und geführt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators. Genau gesagt zeigt 3 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines elektromagnetischen Aktuators. Von dem elektromagnetischen Aktuator sind in 3 lediglich die erste Spule 110 und die zweite Spule 120 als Blockschaltbild sowie vier Schalteinrichtungen gezeigt. Bei dem elektromagnetischen Aktuator kann es sich um einen der elektromagnetischen Aktuatoren aus 1 oder 2 handeln. Die Spulen 110, 120 sind, wie in 3 dargestellt, in Reihe verschaltet. Die Reihenschaltung ist hierbei in eine H-Brücke integriert. Eine einzelne der in 3 dargestellten Schalteinrichtungen kann es beispielsweise einen MOSFET (engl.: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) oder dergleichen aufweisen. Die Schalteinrichtungen umfassen eine erste High-Side-Schalteinrichtung Hss1, eine zweite High-Side-Schalteinrichtung Hss2, eine erste Low-Side-Schalteinrichtung Lss1 und eine zweite Low-Side-Schalteinrichtung Lss2. Die erste High-Side-Schalteinrichtung Hss1 und die zweite High-Side-Schalteinrichtung Hss2 sind in Stromflussrichtung der Reihenschaltung der Spulen 110, 120 vorgeschaltet. Die erste Low-Side-Schalteinrichtung Lss1 und die zweite Low-Side-Schalteinrichtung Lss2 sind in Stromflussrichtung der Reihenschaltung der Spulen 110, 120 nachgeschaltet. Durch gezieltes Schließen und Öffnen der MOSFETs bzw. Schalteinrichtungen kann die Richtung eines Stromflusses durch die Spulen 110, 120 eingestellt werden. Der elektrische Strom baut ein magnetisches Feld auf, welches eine Positionierung des Ankers (in 3 nicht gezeigt) bewirkt. Die Funktionsweise einer derartigen H-Brücke ist auf dem Gebiet hinreichend bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erörtert.
4 zeigt ein schematisches Hysteresediagramm. Bei ferromagnetischen Materialien besteht ein Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und Flussdichte B. Dieser Zusammenhang wird durch das Hysteresediagramm in 4 beschrieben. Die magnetische Feldstärke H ist hierbei an der Abszissenachse aufgetragen und die Flussdichte B ist an der Ordinatenachse aufgetragen. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und Flussdichte B ist nichtlinear. In 4 sind eine Mehrzahl von Hystereseschleifen dargestellt. Magnetische Hysterese sowie zugehörige Hysteresediagramme sind einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt und werden daher hier nicht erneut beschrieben.
5 zeigt ein schematisches Hysteresediagramm in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ähnlich 4 zeigt auch 5 den Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und Flussdichte B. Die magnetische Feldstärke H ist hierbei an der Abszissenachse aufgetragen und die Flussdichte B ist an der Ordinatenachse aufgetragen. Gezeigt sind ein erster Arbeitspunkt 511 ohne ein Durchlaufen von Hystereseschleifen, ein zweiter Arbeitspunkt 512 ohne ein durchlaufen von Hystereseschleifen, ein Arbeitspunkt 513 nach einem Durchlaufen von Hystereseschleifen, eine erste Hystereseschleife 521, eine zweite Hystereseschleife 522 und eine dritte Hystereseschleife 523.
Der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und Flussdichte B ist nichtlinear. Ohne die Hystereseschleifen verläuft die Hysteresekurve ausgehend von einem Maximum positiver magnetischer Feldstärke H sowie positiver Flussdichte B im ersten Quadranten des kartesischen Koordinatensystems nichtlinear in einem ersten Kurvenabschnitt zu einem Maximum negativer magnetischer Feldstärke H sowie negativer Flussdichte B im dritten Quadranten des kartesischen Koordinatensystems. Dabei schneidet die Hysteresekurve die Ordinatenachse an dem ersten Arbeitspunkt 511 ohne Hystereseschleifen im positiven Achsenabschnitt. Von dem Maximum negativer magnetischer Feldstärke H sowie negativer Flussdichte B verläuft die Hysteresekurve nichtlinear in einem zudem ersten Kurvenabschnitt unterschiedlichen, zweiten Kurvenabschnitt zurück zu dem Maximum positiver magnetischer Feldstärke H sowie positiver Flussdichte B. Dabei schneidet die Hysteresekurse jedoch die Ordinatenachse an dem zweiten Arbeitspunkt 512 ohne Hystereseschleifen im negativen Achsenabschnitt.
Die erste Hystereseschleife 521 beginnt an dem ersten Kurvenabschnitt im dritten Quadranten und verläuft nichtlinear und näher am Ursprung des Koordinatensystems als der erste Kurvenabschnitt bis zu einem ersten Ummagnetisierungspunkt im ersten Quadranten. Die zweite Hystereseschleife 422 verläuft von dem ersten Ummagnetisierungspunkt im ersten Quadranten nichtlinear bis zu einem zweiten Ummagnetisierungspunkt im dritten Quadranten. Die dritte Hystereseschleife 523 verläuft von dem zweiten Ummagnetisierungspunkt nichtlinear bis zum Ursprung des Koordinatensystems. Somit liegt im Ursprung des Koordinatensystems der Arbeitspunkt 513, der sich bei Anwendung der Hystereseschleifen ergibt. In der Praxis kann die Anzahl der Hystereseschleifen von der in 5 dargestellten abweichen.
Ein idealer Arbeitspunkt 513, der eine möglichst geringe oder keine Abhängigkeit von Vorgeschichte und Temperatur aufweist, stellt sich bei möglichst geringer Flussdichte B ein und ist in 5 im Ursprung des Diagramms realisiert. Um die Flussdichte B auf diesen Arbeitspunkt 513 zu minimieren, wird eine Entmagnetisierung angewandt. Zur Entmagnetisierung wird ein Ansteueralgorithmus bzw. Ansteuerverfahren realisiert, welches unter Bezugnahme auf 7 näher erläutert wird. Dieser Ansteueralgorithmus kommt bei einem in 7 beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz. Die Ansteuerung verfolgt das Ziel, durch eine Vielzahl an Hystereseschleifen 521, 522, 523 die magnetische Flussdichte B eines ferromagnetischen Materials des elektromagnetischen Aktuators allmählich zum Ursprung abzusenken. In 5 sind beispielhaft drei solcher Hystereseschleifen 521, 522, 523 symbolisch dargestellt.
6 zeigt ein Bestromungsdiagramm in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind ein elektrischer Strom I an der Ordinatenachse über der Zeit t der Abszissenachse. Gezeigt sind eine Bestromungsphase 610 für Bewegung, eine erste Hystereseschleife 621, eine zweite Hystereseschleife 622, eine dritte Hystereseschleife 623 und ein erster Sensierzyklus 630. Das Bestromungsdiagramm in 6 ergibt sich bei einer Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators, wie beispielsweise einem der in den 1 bis 3 gezeigten. Dabei wird der elektrische Strom I an die zumindest eine Spule des elektromagnetischen Aktuators angelegt. Zur Entmagnetisierung wird ein Ansteueralgorithmus bzw. Ansteuerverfahren unter Verwendung der Hystereseschleifen 621 bis 623 realisiert, welches unter Bezugnahme auf 7 näher erläutert wird. Dieser Ansteueralgorithmus kommt bei einem in 7 beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz.
In der Bestromungsphase 610 für Bewegung wird ein hoher positiver elektrischer Strom angelegt, um einen beweglichen Anker des elektromagnetischen Aktuators zu bewegen. Der elektrische Strom I weist in der Bestromungsphase 610 einen Anstieg auf einen Sättigungswert auf, der für eine gewisse Zeitdauer beibehalten wird. Dabei kann der elektrische Strom I um den Sättigungswert herum schwingen. Am Ende der Bestromungsphase 610 wird der elektrische Strom I auf null gesenkt. Während der ersten Hystereseschleife 621 wird ein negativer elektrischer Strompuls angelegt. Eine Amplitude in der ersten Hystereseschleife ist betragsmäßig geringer als der Sättigungswert während der Bestromungsphase 610. In der zweiten Hystereseschleife 623 wird ein positiver elektrischer Strompuls mit einer betragsmäßig geringeren Amplitude als während der ersten Hystereseschleife 621 angelegt. Bei der dritten Hystereseschleife 623 wird ein negativer elektrischer Strompuls mit einer betragsmäßig geringeren Amplitude als während der zweiten Hystereseschleife 622 angelegt. Nachfolgend zu der dritten Hystereseschleife 623 wird in einem ersten Sensierzyklus 630 ein positiver Messstrompuls mit einer Amplitude angelegt, die betragsmäßig geringer als die Amplitude während der dritten Hystereseschleife 621 ist. Nach dem ersten Sensierzyklus 630 können auch weitere Sensierzyklen mit weiteren positiven Messstrompulsen beispielsweise gleicher Amplitude folgen.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren 700 handelt es sich um ein Verfahren 700 zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators, der zumindest eine Spule und einen beweglichen Anker aufweist. Das Verfahren 700 weist einen Schritt des Entmagnetisierens 710 des elektromagnetischen Aktuators durch Leiten einer Folge von elektrischen Strompulsen mit von Strompuls zu Strompuls abwechselnder Stromrichtung und von Strompuls zu Strompuls abnehmender Stromstärke durch die zumindest eine Spule auf, um eine Remanenzflussdichte in dem elektromagnetischen Aktuator zu reduzieren oder zu beseitigen. Das Verfahren 700 weist auch einen Schritt des Bestimmens 720 einer Position des beweglichen Ankers durch Leiten eines Messstrompulses durch die zumindest eine Spule nachfolgend auf den Schritt des Entmagnetisierens 710 auf. Das Verfahren 700 kann in Verbindung mit einem der elektromagentischen Aktuatoren aus einer der 1 bis 3 vorteilhaft ausgeführt werden. Dabei kann eine Ausführung des Verfahrens 700 zu einem Hysteresediagramm wie dem in 5 dargestellten führen. Bei dem Verfahren kann eine Bestromung ähnlich der in 6 gezeigten eingesetzt werden.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 wird im Folgenden eine Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators mit Entmagnetisierung vor der Positionsbestimmung gemäß Ausführungsbeispiel in der vorliegenden Erfindung nochmals zusammenfassend erläutert. Der Ansteueralgorithmus 710 für die Hystereseschleifen 511 bis 513 bzw. 611 bis 613 sollte stets vor einer Positionsmessung 720 bzw. dem ersten Sensierzyklus 630 angewendet werden. Der zeitliche Ablauf ist daher so beschaffen, wie es in 6 schematisch dargestellt ist. Für die Entmagnetisierung 710 wird dieselbe Hardware verwendet, die auch zur Ansteuerung 610 bei Bewegung dient. Dabei wird nach einer Bestromung 610 gewartet, bis der Strom gelöscht ist, und anschließend wird der Strom durch die erste Spule 110 und die zweite Spule 120 abwechselnd und mit einer immer kleiner werdenden Amplitude geschickt. Es werden somit mehrere Hystereseschleifen durchlaufen. Eine in 6 dargestellte(n) Hystereseschleife(n) liegt/liegen einem Bestromungszyklus zugrunde. Durch eine gezielte Auswahl von Amplitude und Zyklenanzahl kann das Verfahren 700 auf einen beliebigen Aktuator optimiert werden. Dabei sind neben den Bestromungslängen, welche die Stromamplitude beeinflussen, auch die Wartezeit bzw. Löschzeit, bis der Strom bei null ist, anpassbar. Nach dem Durchlaufen der letzten Hystereseschleife 513 bzw. 613 und somit der Entmagnetisierung kann die erste Positionsbestimmung durch den ersten Sensierzyklus 630 beginnen.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Bezugszeichenliste

100: elektromagnetischer Aktuator
110: erste Spule
120: zweite Spule
130: beweglicher Anker
135: Verbindungsstab
200: elektromagnetischer Aktuator
240: erster Permanentmagnet
250: zweiter Permanentmagnet
Hss1: erste High-Side-Schalteinrichtung
Hss2: zweite High-Side-Schalteinrichtung
Lss1: erste Low-Side-Schalteinrichtung
Lss2: zweite Low-Side-Schalteinrichtung
511: erster Arbeitspunkt ohne Hystereseschleifen
512: zweiter Arbeitspunkt ohne Hystereseschleifen
513: Arbeitspunkt mit Hystereseschleifen
521: erste Hystereseschleife
522: zweite Hystereseschleife
523: dritte Hystereseschleife
610: Bestromungsphase für Bewegung
621: erste Hystereseschleife
622: zweite Hystereseschleife
623: dritte Hystereseschleife
630: erster Sensierzyklus
700: Verfahren zum Ansteuern
710: Schritt des Entmagnetisierens
720: Schritt des Bestimmens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/049200 A1 [0004]

Claims

Verfahren (700) zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators (100; 200), der zumindest eine Spule (110, 120) und einen beweglichen Anker (130) aufweist, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte aufweist: – Entmagnetisieren (710) des elektromagnetischen Aktuators (100; 200) durch Leiten einer Folge von elektrischen Strompulsen (521, 522, 523; 621, 622, 623) mit von Strompuls zu Strompuls abwechselnder Stromrichtung und von Strompuls zu Strompuls abnehmender Stromstärke durch die zumindest eine Spule (110, 120), um eine Remanenzflussdichte in dem elektromagnetischen Aktuator (100; 200) zu reduzieren oder zu beseitigen; und – Bestimmen (720) einer Position des beweglichen Ankers (130) durch Leiten eines Messstrompulses (630) durch die zumindest eine Spule (110, 120) nachfolgend auf den Schritt des Entmagnetisierens (710).
Verfahren (700) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Entmagnetisierens (710) ein erster elektrischer Strompuls (521; 621), der eine erste Stromrichtung und eine erste Stromstärke aufweist, und ein nachfolgender, zweiter elektrischer Strompuls (522; 622), der eine zu der ersten Stromrichtung unterschiedliche, zweite Stromrichtung und eine zweite Stromstärke aufweist, die geringer als die erste Stromstärke ist, durch die zumindest eine Spule (110, 120) geleitet wird.
Verfahren (700) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Entmagnetisierens (710) zumindest ein weiterer elektrischer Strompuls (523; 623), der bezüglich eines unmittelbar vorhergehenden Strompulses eine entgegengesetzte Stromrichtung sowie eine geringere Stromstärke aufweist, durch die zumindest eine Spule (110, 120) geleitet wird.
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Entmagnetisierens (710) die Folge von elektrischen Strompulsen (521, 522, 523; 621, 622, 623) eine von Strompuls zu Strompuls sinkende Dauer des Stromflusses durch die Spule aufweist.
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (720) eine Stromstärke des Messstrompulses (630) geringer ist als eine geringste der Stromstärken der Strompulse (521, 522, 523; 621, 622, 623) aus dem Schritt des Entmagnetisierens (710).
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Leitens eines Bewegungsstrompulses (610) durch die zumindest eine Spule (110, 120), um eine Bewegung des Ankers (130) zu bewirken, wobei eine Stromstärke des Bewegungsstrompulses (610) größer ist als eine größte der Stromstärken der Strompulse (521, 522, 523; 621, 622, 623) aus dem Schritt des Entmagnetisierens (710).
Verfahren (700) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entmagnetisierens (710) nach dem Schritt des Leitens und vor dem Schritt des Bestimmens (720) ausgeführt wird.
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bestimmens (720) eine Reaktion der zumindest einen Spule (110, 120) auf den beweglichen Anker (130) in dem Messstrompuls (630) ausgewertet wird, um die Position des beweglichen Ankers (130) zu bestimmen.
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der elektromagnetische Aktuator (200) eine erste Spule (110) und eine zweite Spule (120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Entmagnetisierens (710) die Folge von elektrischen Strompulsen (521, 522, 523; 621, 622, 623) durch eine Reihenschaltung der ersten Spule (110) und der zweiten Spule (120) geleitet wird und dass im Schritt des Bestimmens (720) der Messstrompuls (630) durch die Reihenschaltung aus der ersten Spule (110) und der zweiten Spule (120) geleitet wird.
Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktuators (100; 200), der zumindest eine Spule (110, 120) und einen beweglichen Anker (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung Einrichtungen aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte des Verfahrens (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.