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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Schaltstellung eines elektromagnetisch betätigten hydraulischen Schaltventils, mit einem Elektromagneten, der die Aufbringung einer elektromagnetischen Betätigungskraft auf einen Anker des Schaltventils bewirkt, der mit einem Ventilelement gekoppelt ist, das zwischen diskret stabilen Schaltstellungen bewegbar ist.
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Stand der Technik
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Aus dem amerikanischen Patent
US 6,322,166 B1 ist ein Verfahren zur Schaltstellungserkennung eines hydraulischen Schaltventils durch Auswertung eines Freilaufstroms bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Kosten für die Herstellung und/oder den Betrieb von elektromagnetisch betätigten hydraulischen Schaltventilen, mit einem Elektromagneten, der die Aufbringung einer elektromagnetischen Betätigungskraft auf einen Anker des Schaltventils bewirkt, der mit einem Ventilelement gekoppelt ist, das zwischen diskret stabilen Schaltstellungen bewegbar ist, zu reduzieren.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Erkennen einer Schaltstellung eines elektromagnetisch betätigten hydraulischen Schaltventils, mit einem Elektromagneten, der die Aufbringung einer elektromagnetischen Betätigungskraft auf einen Anker des Schaltventils bewirkt, der mit einem Ventilelement gekoppelt ist, das zwischen diskret stabilen Schaltstellungen bewegbar ist, dadurch gelöst, dass der Elektromagnet über eine modulierte Spannung so angesteuert wird, dass ein induzierter Strom keinen stationären Wert erreicht, sondern in einem transienten Bereich ständig neu angeregt wird. Transient bedeutet in diesem Zusammenhang instationär oder kurzlebig. Als Transiente wird bei elektromechanischen Schaltvorgängen auch eine plötzliche und kurzzeitige Spannungs- und Stromstärkeänderung bezeichnet. Bei dem Ventilelement handelt es sich zum Beispiel um einen Ventilschieber. Bei dem induzierten Strom handelt es sich vorzugsweise um einen Spulenstrom, der in einer elektromagnetischen Spule des Elektromagneten induziert wird. Ein hydraulisches Schaltventil mit einem Ventilschieber wird auch als Schieberventil bezeichnet. Bei dem Schaltventil handelt es sich zum Beispiel um ein Wegeventil mit zwei Schaltstellungen, zum Beispiel einer offenen und einer geschlossenen Schaltstellung. Das Schaltventil kann auch mehr als zwei Schaltstellungen umfassen. Darüber hinaus umfasst das Schaltventil zwei oder mehr Anschlüsse. Das Aufbringen der elektromagnetischen Betätigungskraft auf den Anker bewirkt normalerweise eine Bewegung des Ventilelements, vorzugsweise entgegen einer Rückstellfederkraft einer Rückstellfeder, aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung. Durch störende Einflüsse oder Fehler, wie zum Beispiel Reibung oder Klemmen des Ventilelements, Kurzschluss, Hydraulikmediumeinfluss, kann es passieren, dass das Aufbringen der elektromagnetischen Betätigungskraft nicht dazu führt, dass das Ventilelement seine zweite Schaltstellung korrekt einnimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Art und Weise die Erfassung und Erkennung der Schaltstellung ohne die Verwendung eines dedizierten Sensors. Die berührungslose Erfassung und Erkennung der Schaltstellung ohne dezidierten Sensor ermöglicht eine signifikante Kosteneinsparung. Die berührungslose und "sensorlose" Erfassung und oder Erkennung der Schaltstellung des Schaltventils beschränkt sich vorteilhaft auf die Messung von Strom- und/oder Spannungsgrößen. Die Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, dass die Schaltstellung des Schaltventils einen rückwirkenden Einfluss auf den Elektromagneten hat. Dabei wird insbesondere ausgenutzt, dass das transiente Verhalten des Spulenstroms von der Schaltstellung des Schaltventils abhängt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine differentielle Induktivität eines Stromkreises des Schaltventils erfasst und/oder überwacht wird, um eine Position des Ventilelements zu erkennen. Die differentielle Induktivität wird zum Beispiel durch eine Modellidentifikation bestimmt. Dazu werden online-Parameter eines automatischen Strom-Spannungs-Modells geeignet angepasst, bis das Modell den gemessenen Stromverlauf mit möglichst geringen Abweichungen, zum Beispiel im mittleren quadratischen Sinne, nachbilden kann. Ein Modellparameter entspricht dabei vorteilhaft der differentiellen Induktivität, die von der Position oder Stellung des Ventilelements abhängt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass erfasst und/oder überwacht wird, wie schnell ein Stromwert einen stationären Endwert erreicht. Bei dem stationären Endwert handelt es sich um einen theoretischen Wert. Die Ansteuerung mit der modulierten Spannung führt dazu, dass der elektrische Strom an sich keinen stationären Wert erreicht, sondern ständig neu angeregt wird. Das Verhalten des Stroms in diesem transienten Bereich wird von der Position oder Stellung des Ventilelements beeinflusst. Dabei unterscheidet sich insbesondere die differentielle Induktivität des Stromkreises je nach Position oder Stellung des Ventilelements. Somit strebt der Stromwert seinen (theoretischen) stationären Endwert unterschiedlich schnell entgegen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet über eine pulsweitenmodulierte Spannung angesteuert wird. Bei der pulsweitenmodulierten Spannung ist die Spannung nicht konstant, sondern wechselt zwischen zwei Werten.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromverlauf zwischen zwei Flanken der pulsweitenmodulierten Spannung gemessen wird. Durch Messung des Stromverlaufs zwischen zwei Flanken der pulsweitenmodulierten Spannung kann auf einfache Art und Weise ein charakteristisches Merkmal des vorab beschriebenen transienten Verhaltens bestimmt werden, das einen Rückschluss auf die Schaltstellung erlaubt. Um Störungen durch die Schaltflanken der Pulsweitenmodulation auf die Merkmalsbestimmung zu vermeiden, sollten unmittelbar nach diesen Flanken gemessene Stromwerte bei der Merkmalsbestimmung unberücksichtigt bleiben.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitdauer erfasst wird, die für eine Änderung des Stromwerts um einen festen Betrag benötigt wird. Die Zeitdauer wird zum Beispiel mit Hilfe eines Prozessors einer elektronischen Schaltung erfasst, die vorteilhaft in das Schaltventil integriert ist. Bei der erfassten Zeitdauer handelt es sich um ein Merkmal, das einen Rückschluss auf die Schaltstellung erlaubt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Stromwertes innerhalb einer festgelegten Zeitspanne erfasst wird. Dabei handelt es sich um ein weiteres Merkmal, das einen Rückschluss auf die Schaltstellung erlaubt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigung eines Strom-Zeit-Verlaufs erfasst wird. Dabei handelt es sich um ein weiteres Merkmal, das einen Rückschluss auf die Schaltstellung des Schaltventils erlaubt. Der erfasste Strom-Zeit-Verlauf wird gegebenenfalls gefiltert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erfasster, insbesondere gemessener, Merkmalswert mit einem kalibrierten Schwellwert verglichen wird, um auf eine Schaltstellung des Schaltventils zu schließen. Dabei wird vorteilhaft ausgenutzt, dass der Wert des verwendeten Merkmals mit der Schaltstellung korreliert.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen des vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um einen Prozessor und/oder eine elektronische Schaltung, der beziehungsweise die dem elektromagnetisch betätigten hydraulischen Schaltventil zugeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein elektromagnetisch betätigtes hydraulisches Schaltventil mit einem vorab beschriebenen Prozessor oder einer vorab beschriebenen elektronischen Schaltung. In dem Prozessor oder der elektronischen Schaltung wird das vorab beschriebene Verfahren ausgeführt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige beiliegende Figur zeigt eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe eines Blockschaltbilds.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die einzige beiliegende Figur zeigt ein Blockschaltbild mit vier Rechtecken 1, 2, 3, 4 und fünf Pfeilen 11, 12, 13, 14, 15.
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Das Rechteck 1 symbolisiert ein elektromagnetisch betätigtes hydraulisches Schaltventil. Das Rechteck 2 symbolisiert eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Schaltventils 1. Das Rechteck 3 symbolisiert eine Strommessung des Schaltventils 1. Das Rechteck 4 symbolisiert eine Merkmalsauswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Durch den Pfeil 11 wird verdeutlicht, dass das Schaltventil 1 mit einer pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert wird. Durch den Pfeil 12 wird verdeutlicht, dass der Strom, zum Beispiel der Spulenstrom, des so angesteuerten Schaltventils 1 gemessen wird.
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Durch die Pfeile 13 und 14 ist angedeutet, dass durch Messung des Stromverlaufs, zum Beispiel zwischen zwei Flanken der pulsweitenmodulierten Spannung, ein charakteristisches Merkmal eines transienten Verhaltens bestimmt wird, das einen Rückschluss auf die Schaltstellung des Schaltventils 1 erlaubt.
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Der Pfeil 15 verdeutlicht als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens 4 den Rückschluss auf die Schaltstellung des Schaltventils 1. Dabei ergibt sich zum Beispiel, dass das Schaltventil 1 offen oder geschlossen ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Merkmale verwendet werden, die einen Rückschluss auf die Schaltstellung des Schaltventils 1 erlauben. Geeignete Merkmale sind beispielsweise: Die benötigte Zeit für eine Änderung des Stromwerts um einen festen Betrag; die Änderung des Stromwerts innerhalb einer festgelegten Zeitspanne; die Steigung des Strom-Zeit-Verlaufs, gegebenenfalls gefiltert; die differentielle Induktivität.
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Die differentielle Induktivität ist vorteilhaft durch eine Modellindifikation zu bestimmen. Dazu werden zum Beispiel online die Parameter eines mathematischen Strom-Spannungs-Modells geeignet angepasst, bis das Modell den gemessen Stromverlauf mit möglichst geringen Abweichungen, zum Beispiel in einem mittleren quadratischen Sinne, nachbilden kann. Ein Modellparameter entspricht der differentiellen Induktivität, welche von einer Schieberposition des Schaltventils abhängt.
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Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen kann der Merkmalsschwellwert so gewählt werden, dass statt "offen" und "geschlossen" die Aussagen "sicher geschlossen" und "nicht sicher geschlossen" gewonnen werden. Analog dazu gilt dies für "sicher offen". Auch eine Unterscheidung von drei verschiedenen Zuständen ist möglich, zum Beispiel "sicher geschlossen", "sicher offen" und "weder sicher geschlossen noch sicher offen".
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Für die Merkmalsbestimmung ist eine Anregung des Stroms erforderlich, zum Beispiel durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung. In einem gänzlich unbestromten Zustand kann kein Merkmal erkannt werden. Daher ist immer eine geringe Anregung vorzusehen, zum Beispiel durch sehr kleine Tastverhältnisse der pulsweitenmodulierten Ansteuerung oder vorteilhaft durch eine bezüglich der Versorgungsspannung symmetrische pulsweitenmodulierte Ansteuerung, das heißt, ein Verhalten zwischen positiver und negativer Versorgungsspannung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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