DE102016009048A1

DE102016009048A1 - Elektromagnetische Ventileinrichtung für ein Fluid-System und Verfahren zum Ermitteln eines Fluiddrucks

Info

Publication number: DE102016009048A1
Application number: DE102016009048.0A
Authority: DE
Inventors: Felix Diet; Eckard Klotz
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Ventilanordnung (1) für ein Fluid-System (10), insbesondere Pneumatik-System, die aufweist: ein elektrisch betätigtes Fluid-Ventil (2) mit mindestens zwei Fluid-Anschlüssen (2a, 2b, 2c), einen Elektromagnet (3) zur Ausbildung eines Schaltmagnetfeldes, einen zwischen einer Grundstellung bei nichtbestromtem Elektromagnet und einer Schaltstellung verstellbaren Anker (4) eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (6), die aufweist – eine Messeinrichtung (8) zum Messen eines aktuell durch den Elektromagnet (3) fließenden Spulen-Stroms (I) und/oder einer aktuellen induzierten Spulen- Spannung (U) als Messsignal (S0), – eine Auswerteeinrichtung (9), die ausgelegt ist, aus dem Messsignal (S0) einen in einem der Fluid-Anschlüsse (2a, 2b, 2c) anliegenden Fluid-Druck (P1) zu ermitteln. Hierbei ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (6) ausgelegt ist, aus einem Minimalwert und einem Maximalwert des Messsignals (S0) oder den Zeitpunkten des Minimalwertes und Maximalwertes des Messsignals (S0) einen Differenzwert (Δt, ΔI, ΔU) als analoge Differenz zu bilden und auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Ventileinrichtung für ein Fluid-System und ein Verfahren zum Ermitteln eines Fluiddrucks.
Elektromagnetische Ventile oder Elektromagnet-Ventile werden in Fluid-Systemen zum Schalten durch elektrische Ansteuerung verwendet. Hierbei können Fluid-Anschlüsse der Ventileinrichtung miteinander verbunden oder gesperrt werden.
Die Ventileinrichtung weist im Allgemeinen einen Solenoid bzw. Elektromagneten auf, der an einer Ansteuereinheit bzw. Treiberstufe mittels einer Schaltspannung angesteuert wird. Das elektromagnetische Ventil kann insbesondere eine durch eine Federeinrichtung vorgespannte Ruhestellung aufweisen, aus der es durch Bestromung des Elektromagneten in die Schaltstellung verstellt wird. Hierbei fließt ein Spulen-Strom durch die Spule und erzeugt ein Elektromagnetfeld, das einen ferromagnetischen Anker von dessen Ruhestellung in die Schaltstellung verstellt, unter Spannung der Federeinrichtung.
Als Fluid kann insbesondere Luft oder eine Hydraulikflüssigkeit vorgesehen sein; es können insbesondere pneumatische Systeme bzw. Druckluftsysteme für Fahrzeuge, z. B. pneumatische Bremsen oder Luftfedereinrichtungen, aber auch z. B. hydraulische Systeme in Fahrzeugen geschaltet werden.
Bei einem Ausschaltvorgang wird die Spulen-Spannung zum Abschaltzeitpunkt auf Null. Durch das zusammenbrechende Magnetfeld wird in der Spule eine Spulen-Spannung induziert, die entsprechend wiederum zu einem Spulen-Strom führt. Hierbei sind oftmals Freilaufschaltungen vorgesehen, die z. B. parallel zum Anschaltpfad geschaltet und über eine Diode gesichert sind, und den induzierten Spulen-Strom über die Diode und einen angeschlossenen Widerstand ableiten.
In derartigen Fluidsystemen ist oftmals eine Druckmessung hilfreich oder erforderlich, um z. B. bedarfsabhängig zu schalten. Hierzu sind Drucksensoren vorgesehen, die an die Fluidkanäle bzw. Fluidleitungen angeschlossen werden. Derartige Drucksensoren können jedoch versagen, oder sie erfordern einen erheblichen zusätzlichen Hardwareaufwand.
Die DE4440531 C2 beschreibt ein Verfahren zur größenmäßigen Ermittlung von Hydraulikdrücken in einer blockiergeschützten hydraulischen Kfz-Bremsanlage, die der Steuerung des den Radbremsen zugeführten Hydraulikdrucks dienende elektromagnetisch gesteuerte Einlass- und Auslassventile enthält. Hierbei werden signifikante Veränderungen im zeitlichen Verlauf der zum Umschalten der Einlass- und Auslassventile aufgebrachten Erregerströme jeweils als Indikatoren für die Höhe der vor dem Umschalten an den Ventilen wirksamen Hydraulik(vor)drücke ausgewertet. Es zeigt sich eine gewisse Zeit nach dem Ein- bzw. Ausschalten des Erregerstroms ein deutlich erkennbarer typischer kurzzeitiger Einbruch im sich im Wesentlichen stetig ändernden Erregerstromverlauf als Indikator für die Höhe des Hydraulik(vor)drucks. Hierzu kann die vom Ein- bzw. Ausschalten des Erregerstroms bis zu dessen kurzzeitigen Einbruch vergangene Zeit als Maß für die Höhe des Hydraulik(vor)drucks ausgewertet werden. Die Messung kann über ein Differentierglied, d. h. eine zeitliche Ableitung, und ein nachgeschaltetes Glied zur Erfassung des Nulldurchgangs erfolgen, wodurch somit ein Strom-Minimum erfasst und von einem Strom-Maximum eindeutig unterschieden werden kann.
Die EP 1644208 B1 beschreibt ein Verfahren zur Messung eines Drucks in einem Bereich, der mit einem Magnetventil abgeschlossen ist, mit den Schritten Anlegen einer Spannung an das Magnetventil, Ermittlung eines Scheitelpunkts des aufgrund der Spannung fließenden Stroms und Ermittlung des Drucks basierend auf der Ermittlung des Scheitelpunkts des Stroms, z. B. durch ein Kennlinienfeld oder Berechnung.
Auch die US 6318182 zeigt eine entsprechende Abschätzung des Drucks.
Die DE2257236A1 zeigt Messmittel zur Bestimmung der Zeitspanne zwischen der Änderung des Ansteuersignals für das Ventil und dem Schaltzeitpunkt des Ventils, wobei zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes die Messmittel auf die sprunghafte Änderung des Stroms im Schaltzeitpunkt ansprechen. Hierzu ist ein Differentierglied vorgesehen, dem eine vom Ventilstrom abhängige Spannung zugeführt wird.
Derartige Verfahren ermöglichen somit eine Bestimmung der Druckwerte aus dem elektrischen Verhalten. Es zeigt sich jedoch, dass hierzu Analog-Digital-Wandlungen mehrerer Messwerte erforderlich sind und die hieraus zu ermittelnden Werte eher gering sind, so dass sich hohe Ungenauigkeiten ergeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventileinrichtung und ein Verfahren zum Schalten der Ventileinrichtung (besser als Verfahren zur Druckmessung) zu schaffen, die sichere Schaltvorgänge ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Die Untersprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Hierbei ist ergänzend ein Fluidsystem mit einer derartigen Ventileinrichtung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung realisiert werden.
Erfindungsgemäß werden somit aus dem elektrischen Verhalten bzw. dem elektrischen Signalen während der beiden Schaltvorgänge Informationen über Druckwerte gewonnen, die an den Ventileingängen der Ventileinrichtung anliegen. Der anliegende Fluiddruck beeinflusst die Bewegung des durch den Elektromagneten verstellten Ankers, und die Bewegung des bei dem Schaltvorgang bzw. Ausschaltvorgang verstellten Ankers beeinflusst wiederum das elektrische Verhalten der Ventileinrichtung.
So ändert sich beim Schaltvorgang der Spulenstrom in Abhängigkeit der Bewegung des Ankers, die wiederum den Spulenstrom beeinflusst.
Hierbei gehen insbesondere die beiden folgenden Effekte ein: zum einen wird durch die Änderung der Position des Ankers die magnetische Induktivität der elektromagnetischen Ausbildung geändert. Somit liegt keine feste Induktivität der Spule vor, sondern die Induktivität der Spule sowie des ferromagnetischen kernbildenden Ankers bildet aufgrund seiner Bewegung eine zeitlich veränderliche Position und somit Induktivität.
Zum anderen erzeugt die Bewegung des magnetisierten Ankers selbst einen Strom, d. h. es erfolgt eine Induktion durch das sich verändernde Magnetfeld des magnetischen Kerns bzw. Ankers.
Beim Ausschaltvorgang erfolgt – genau wie im Schaltvorgang – wiederum eine Änderung des Spulen-Stroms durch den bewegenden Anker. Hierbei werden durch das schlagartige Ausschalten der angelegten Spulen-Spannung und hierdurch das plötzliche Zusammenbrechen des Elektromagnetfeldes zunächst ein Spulenstrom und eine Gegen-Spannung induziert, so dass beim Ausschaltvorgang zusätzlich zum Spulen-Strom auch die induzierte Spannung ermittelt werden kann.
Somit sind beim Schaltvorgang die asymptotische Ausgleichkurve, die zu einem asymptotischen Annähern des Stromwertes von Null auf den vollen Spulen-Strom und beim Ausschaltvorgang zu dem asymptotischen Abfall des Spulen-Stroms auf Null führen, durch ergänzende Effekte überlagert. Es wird in beiden Schaltvorgängen jeweils ein lokales Maximum und ein lokales Minimum ausgebildet, das insbesondere durch den Anfang der Bewegung des Kerns, die nach einer gewissen Zeitdauer nach dem Einschaltvorgang und dem Ausschaltvorgang beginnt, hervorgerufen werden.
Es zeigt sich hierbei, dass insbesondere diese Extremwerte des Spulen-Stroms, beim Ausschaltvorgang auch ergänzend der induzierten Spulen-Spannung herangezogen werden können. Diese Extremwerte zeigen in mehrerer Hinsicht eine Druckabhängigkeit des angelegten Drucks. Hierbei zeigt sich weiterhin, dass grundsätzlich Differenzen zwischen den Extrem-Werten sehr signifikant ist und für eine Druckbestimmung bereits ausreichend ist.
So kann zum einen die zeitliche Differenz zwischen den Extrem-Werten herangezogen werden, die vorzugsweise durch zeitliche Ableitung (Differenzierung) unter Bildung eines ersten Nulldurchgangs und zweiten Nulldurchgangs mit entgegengesetzten Vorzeichenwechseln erfolgt, so dass durch einen Komparator direkt eine Rechteckfunktion erzeugt werden kann, ohne zunächst eine AD-Wandlung vorzunehmen.
Auch die genaue Auswertung kann vorteilhaft erfolgen, indem zunächst eine zeitliche Ableitung der gemessenen Spannung oder gemessenen Stromwertes gebildet wird, so dass ein Nulldurchgang der zeitlichen Ableitung als Extremwert herangezogen werden kann. Ein derartiger Nullwert einer Messgröße oder eines hieraus gebildeten Signals kann nachfolgend verarbeitet werden.
Somit ist z. B. eine analoge Signalverarbeitung möglich, bei der zunächst analog eine zeitliche Differenzierung erfolgt, z. B. durch ein Differentierglied, dass somit eine zeitliche Ableitung ausgibt, die nachfolgend z. B. zu einem Rechtecksignal mit Rechteckflanken bei den Nulldurchgängen umgewandelt werden kann, z. B. durch einen Komparator, der das nachfolgende Rechtecksignal ausgibt. Ein derartiges Rechtecksignal gibt somit durch die Breite seiner Rechtecksignale die zeitlichen Abstände zwischen Minimalwert und Maximalwert aus, die nachfolgend direkt ausgewertet werden können.
Hierbei ist auch der Einsatz eines Mikroprozessors mit capture-compare-Eingang möglich, der direkt Nullwerte aufnehmen und auswerten kann.
Gemäß einer weiteren Ausbildung wird eine Differenz zwischen den Messwerten, d. h. Strom oder Spannung gebildet, welche zu unterschiedlichen Zeiten auftreten und die in einem relativ großen Mess-Bereich liegen, während die Differenz selber eher klein sein kann. Somit tritt hier eine relativ kleine Differenz zweier relativ großer Zahlen auf. Wenn die Werte einzeln gemessen werden, ist hierzu ein Auflösungs-Bereich zu wählen, welcher dem Gesamt-Hub des Signals entspricht, um dann später die Differenz rechnerisch zu ermitteln. Kleine Differenzen werden dann aber nur grob aufgelöst, so dass die gewünschte Information verloren geht. Außerdem sind zwei AD-Wandlungen zu realisieren. Indem die Differenz der analogen Messwerte gebildet wird, kann der Auflösungsbereich auf die Differenz abgestimmt und relativ hoch sein.
Vorzugsweise werden die beiden analogen Messwerte in einer Hold-Schaltung als Spannung zwischengespeichert, um sie dann einer analogen Subtrahier-Schaltung zuzuführen. Dieser Subtrahierer kann nun die Spannungs-Differenz auch verstärken, so dass die anschließende AD-Wandlung mit einer optimierten Auflösung stattfinden kann. Außerdem wird das die Anzahl der notwendigen AD-Wandlungen halbiert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Vorauswertung unabhängig von der eigentlichen Ventil-Ansteuerung arbeitet. es kann also das gesamte Mess-Verfahren in einem eigenen ASIC realisiert werden, welches die Messung und Auswertung vornimmt. Die Software zur Ventil-Ansteuerung ist nicht zwecks Start der Messung zu ändern, denn die beiden Trigger-Punkte der Messung ergeben sich durch den Signal-Verlauf selbst.
Somit kann insbesondere vorab eine Kalibrierung des Ventils vorgenommen werden, um Kalibrierdaten als Vergleichsdaten heranzuziehen, z. B. Werte-Tupel oder als look-up-Tabelle, aber z. B. auch als interpolierte Kurve.
Während des Betriebes können dann die aktuellen Messwerte mit den Kalibrierdaten verglichen werden, so dass hieraus der aktuelle Druck ermittelt oder abgeschätzt werden kann.
Das Verfahren und die Signalverarbeitung können insbesondere zur Plausibilisierung einer durch einen Drucksensor erfolgten Druckmessung herangezogen werden; es ist jedoch auch der alleinige Einsatz dieses Messsystems bzw. Messverfahrens möglich, um einen Druck zumindest abschätzen zu können oder auch genauer zu bestimmen.
Hierbei kann fortlaufend eine Aktualisierung der Werte erfolgen, da durch Verschleiß usw. das genaue Verhalten der Ventileinrichtung verändern kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine elektropneumatische Ventilanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in a) einer ersten Ventilstellung und b) einer zweiten Ventilstellung;
2 Zeitdiagramme der Spulen-Spannung und des Spulen-Stroms beim Einschaltvorgang;
3 zeitliche Diagramme der Spulen-Spannung und des Spulen-Stromes beim Ausschaltvorgang;
4 zwei zeitliche Messdiagramme des aktiven Schaltvorgangs bei unterschiedlichen anliegenden Luftdruck-Werten, jeweils als Funktion des Spulen-Stromes in Abhängigkeit der Zeit;
5 eine der 4 entsprechenden Darstellung beim Ausschaltvorgang;
6 die zeitliche Ableitung der Messdiagramme aus 4;
7 die zeitliche Ableitung der Messdiagramme aus 5;
8 eine Auswerteschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform zur Ermittlung einer zeitlichen Differenz der Maximalwerte; und
9 eine Auswerteschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zur Ermittlung einer Differenz der Maximalwerte.
Eine in 1 gezeigte elektromagnetische Ventileinrichtung 1 weist ein elektropneumatisches Ventil (pneumatisches Solenoid-Ventil) auf, hier ein 3/2-Wegeventil 2 mit einem ersten Druckluftanschluss 2a, einem zweiten Druckluftanschluss 2b, einem dritten Druckluftanschluss 2c, sowie einem Elektromagnet (Solenoid) 3, und einem im Innenraum 2d verstellbaren Anker 4 (Kern, Kolben), der durch eine (hier nur im Schnitt ersichtliche, angedeutete) Feder (Kolbenfeder) 5 in die in 1a) gezeigte Grundstellung (Ruhestellung) I) vorgespannt ist. Die elektropneumatische Ventileinrichtung 1 ist an eine Spannungsquelle 7 angeschlossen und weist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 auf, die in 8 und 9 mit unterschiedlichen Ausführungsformen gezeigt ist.
Das elektropneumatische Ventil 2 ist bei fehlender Ansteuerung, das heißt einem Spulenstrom I = 0 durch den Elektromagnet 3, in der in 1a) gezeigten Grundstellung I) (Ruhestellung), und wird in einem Einschalt-Vorgang (Schaltvorgang) in die in 1b) gezeigte Schaltstellung II) (betätigte Stellung) geschaltet, gegen die Wirkung der Feder 5.
Beim Einschalt-Vorgang wird somit der Elektromagnet 3 bestromt und bildet ein Elektromagnetfeld EM, das insbesondere durch den Anker 4 verläuft und zur Verstellung des Ankers 4 führt. Somit führt der Anker 4 bei dem Verstellvorgang eine Bewegung durch, die wiederum den Spulenstrom I beeinflusst; eine derartige Beeinflussung des Spulenstroms I ergibt sich insbesondere aus zwei Gründen:

1. Der Anker 4 beeinflusst die Induktivität der elektromagnetischen Ausbildung, das heißt der Ausbildung aus dem Elektromagnet 3 und den Eisen-Bereichen, die den Anker 4 umfassen. Somit ändert sich die Induktivität in Abhängigkeit der Position des Ankers 4.
2. Der sich bewegende Anker 4, der aufgrund des Elektromagnetfeldes EM bereits magnetisiert ist, induziert aufgrund seiner Begebung selbst einen Strom in den Elektromagnet 3, der somit dem eingegebenen Strom überlagert ist.

Es zeigt sich, dass die Bewegung des Ankers 4 insbesondere von einem Druck P1 im Anschluss 2a oder im Anschluss 2b, bzw. Druck-Differenzen zwischen den drei Anschlüssen 2a, 2b abhängt.
Somit ergeben sich druckabhängige Werte der elektrischen Größen wie nachfolgend beschrieben wird:
Gemäß 2 wird zum Zeitpunkt t0 vom Ruhezustand bzw. spannungslosen Zustand aus die angelegte Spannung U (Schaltspannung) eingeschaltet, die im Wesentlichen ein Rechtecksignal von U = 0 auf U = U0 darstellt. Aufgrund der Induktivität des Elektromagnets (Spule) 3 steigt der Spulen-Strom I zeitverzögert an und wird grundsätzlich im Falle eines nicht-bewegten Kerns 4 eine asymptotische Annäherung der Form exp(–kt) bzw. I = I0(1 – exp(kt)), mit einer Zeitkonstante k, annehmen. Da der Kern 4 sich bewegt, ergibt sich jedoch ein Graph bzw. Funktionsverlauf I(t) mit einem lokalen Maximum Imax zum Zeitpunkt tmax, einem nachfolgenden lokalen Minimum mit dem Stromwert Imin zum Zeitpunkt tmin, und einem anschließenden asymptotischen Verlauf. Die Ausbildung des lokalen Maximums und lokalen Minimums im Spulenstrom I beruht somit auf der Bewegung des Kerns 4 und den beiden oben genannten Effekten. Hierbei führt die Bewegung des Kerns 4 insbesondere zu einer Unterbrechung des monotonen Anstiegs des Stromwertes und den nachfolgenden Abfall, der dann wieder in eine entsprechende monoton ansteigende Kurve übergeht.
Beim Ausschaltvorgang gemäß 3 liegt somit bis zum Zeitpunkt te die angelegte Spannung U = U0 mit einem Spulenstrom Is an. Zum Abschalt-Zeitpunkt te bricht das magnetische Feld des Elektromagnet 3 zusammen und induziert hierdurch einen Spulenstrom und eine Spulenspannung, wobei eine negative Spannung induziert wird. Hierbei ist für den Elektromagnet 3 eine Freilauf-Schaltung bzw. ein Freilauf-Pfad mit einer Diode und einem Widerstand vorgesehen, wobei die Diode lediglich diesen Freilaufstrom 3 der negativ induzierten Spulen-Spannung Us zulässt. Der induzierte Spulenstrom steigt zunächst sprungartig an und fällt nachfolgend asymptotisch bzw. exponentiell ab. Auch die induzierte Spulen-Spannung Us zeigt ein entsprechendes Verhalten. Der asymptotische Abfall des Spulenstroms I und der Spulen-Spannung Us verläuft wiederum zunächst im Wesentlichen asymptotisch bzw. mit exponentiellen Abfall, dann aufgrund des bewegten Kerns durch ein lokalen Minimum Imin,2 und Umin,2, so dass der induzierte Spulenstrom Is und die induzierte Spulen-Spannung Us(vom Betrag her) jeweils kurz ansteigen, bei den lokalen Maximum Imax,2 und Umax,2, dann jedoch wieder abfallen und asymptotisch bzw. als exponentieller Abfall gegen Null gehen.
Es zeigt sich, dass die lokalen Minima und lokalen Maxima sowohl von ihrem Zeitpunkt als auch von ihrem Funktionswert (Spannungswert, Stromwert) her durch die Bewegung des Kerns 4 beeinflusst bzw. festgelegt sind, so dass in einem Fluidventil gemäß 1 die jeweils anliegenden Drücke diese Bewegung und somit diese elektrischen Werte beeinflussen. Hierbei zeigt sich gemäß 4 und 5 eine Abhängigkeit der lokalen Maxima und Minima von den anliegenden Drücken bzw. anliegenden Druck-Differenzen. Insbesondere die Differenz-Werte der Zeitpunkte der Extremwerte sowie die Differenzen der Extremwerte selbst sind hierbei relevant.
So zeigt 4 eine erste Stromkurve bei einem anliegenden Druck P1 = 0 bar, bei dem sich der Kern 4 relativ schnell bewegt und bereits bei tmin von z. B. 0,004 Sekunden sein lokales Maximum Imax erreicht und nachfolgend das lokale Minimum Imin einnimmt mit einem nachfolgenden asymptotischen Anstieg. Bei der zweiten Kurve mit P1 = 11 bar wird zunächst von t0 ausgehend die gleiche Stromkurve durchfahren, jedoch erst mit einem späteren lokalen Maximum bei z. B. tmax = 0,005 bis 0,006 Sekunden, und entsprechen einem nachfolgend lokalen Minimum.
Der anliegende Druck P1 wirkt somit der Bewegung des Kerns 4 entgegen und verzögert somit auch das Maximum und Minimum dieser Kurven.
Entsprechend wird im Allgemeinen die entgegengesetzte Bewegung gemäß 5 in umgekehrter Reihenfolge beeinflusst, d. h. der anliegende Druck P1 unterstützt die Bewegungen.
Entsprechendes zeigt sich in 5, wobei hier zunächst die Stromwerte gezeigt sind, und bei der ersten Messkurve mit P1 = 0 bar ein späteres lokales Minimum tmin,2 und nachfolgendes lokales Maximum tmax,2 ausgebildet wird, als bei der Messkurve mit P1 = 11 bar.
Die genaue Erfassung der Zeitwerte (Abszissenwerte) und Funktionswerte, d. h. induzierte Spulen-Spannung Us und Spulen-Strom Is, wird durch zeitliche Ableitung (zeitliche Differenzierung) ermittelt. Die 6 und 7 zeigen direkte zeitliche Ableitungen dl(t)/t des Spulenstroms I(t).
Entsprechend wird ein lokales Minimum als Nulldurchgang der Ableitungsfunktion vom Negativen ins Positive und entsprechend ein lokales Maximum als Nulldurchgang vom Positiven ins Negative ermittelt. 6 zeigt drei Kurven dl/dt eines Einschaltvorganges für die Druckwerte P1 = 0 bar, P1 = 5 bar und P1 = 10 bar, mit der charakteristischen Verschiebung der Zeiten.
Entsprechend zeigt 7 ein Diagramm dl/dt beim Abschaltvorgang entsprechend 5, wiederum mit drei Messkurven mit P1 = 0 bar, P1 = 5 bar und P1 = 10 bar, mit einer charakteristischen Verschiebung des Nulldurchgangs.
Somit kann bei Einschaltvorgängen jeweils zum einen eine zeitliche Differenz Δt = tmin – tmax, und zum anderen ΔI = Imax – Imin ermittelt werden.
Bei Ausschaltvorgängen kann zum einen die zeitliche Differenz Δt = tmin – tmax, und zum anderen ΔI = Imax – Imin oder auch ΔU = Umax – Imin ermittelt werden
Beim Ausschaltvorgang wird entsprechender Freilaufstrom durch den Freilaufpfad, der über eine Diode und einen Widerstand parallel zum Elektromagnet geschaltet ist, gemessen, und/oder gegebenenfalls die induzierte Spulen-Spannung Us, die vom Verhalten her im Wesentlichen im Gegensatz zum Strom mit etwa gleichen Verlauf ausgebildet ist.
Eine Druckmessung in einer der an dem Ventil anstehenden Leitungen kann nun insbesondere durch eine Kalibrierung erfolgen, d. h. es werden die gezeigten Tabellen als look up-Tabellen bzw. Kalibierkurven ermittelt, so dass der nachfolgende in Betrieb Messwert zugeordnet und umgerechnet werden können.
Die Signalverarbeitung erfolgt vorzugsweise zunächst analog durch Aufnehmen und Zwischenspeichern der Werte:
Gemäß der Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 nach 8 wird Δt bestimmt, wobei aus dieser Differenz einige spezifische Störgrößen und Schwankungen bereits heraus gekürzt werden.
Gemäß 8 fließt der Spulenstrom I über einen Shunt-Widerstand Rs, so dass der Spannungsabfall U_Rs an dem Shunt-Widerstand Rs ein Spannungssignal S0 ergibt.
Dieses Spannungssignal S0 wird über ein Differentierglied 30 abgeleitet, so dass ein Signal S1 gebildet wird, das nach 6, 7 eine zeitliche Ableitung des Stromes als Funktion der Zeit darstellt. Dieses Signal S1 wird dann einem Eingang einer Komparatorschaltung 32 zugeführt, deren anderer Eingang wiederum auf Masse, d. h. 0 V gelegt ist und somit aus dem in 6, 7 gezeigten Signal eine Rechteck-Kurve formt, mit Pulsbreiten entsprechend dem zeitlichen Abstand Δt = tmin – tmax. Dieses Rechteck-Signal kann dann von einer Auswerteeinrichtung 9, z. B. einem Mikrocontroller 9, aufgenommen werden, z. B. über dessen capture-compare-Eingang.
Gemäß der Ausführungsform der 9 wird der Strom I als Spannungsabfall U_Rs über einem Shunt-Widerstand Rs gemessen, wobei zwei Sample & Hold- Schaltungen 36, 37 vorgesehen sind, die den Maximalwert U_Rs_max und den Minimalwert U_Rs_min aufnehmen und analog speichern, woraufhin diese Werte einem Subtrahierer 38 zugeführt werden, der direkt eine analoge Subtraktion vornimmt und somit den Differenzwert ΔU_Rs = U_Rs max – U_Rs_min ermittelt und als Analog-Wert ausgibt, vorzugsweise mit einer zusätzlichen Verstärkung um einen Faktor v, wobei der analoge Wert dann AD-gewandelt werden und ausgewertet, d. h. mit Kalibrierdaten verglichen werden kann.
Somit kann der anstehende Druck P1 gemessen werden, um hierdurch z. B. einen Drucksensor einzusparen, oder einer Plausibilisierung eines gemessenen Druckwertes durchzuführen, ggf. auch als Ersatz bei Ausfall eines Drucksensors.
Bezugszeichenliste

1: elektromagnetische Ventileinrichtung
2: pneumatisches Elektromagnet-Ventil, 3/2-Wegeventil
2a: erster Druckluftanschluss
2b: zweiter Druckluftanschluss
2c: dritter Druckluftanschluss
2d: Innenraum
3: Elektromagnet (Elektromagnet)
4: Anker (Kolben)
5: Feder (Kolbenfeder)
6: Steuer- und Auswerteeinrichtung
7: Spannungsquelle
8: Strommess-Einrichtung
9: Auswerteeinrichtung
10: Fluid-System
30: Differentierglied
32: Komparatorschaltung
36: erste Sample & Hold-Schaltung für Minimalwert
37: zweite Sample & Hold-Schaltung für Maximalwert
38: analoger Subtrahierer, vorzugsweise mit Verstärkung
S0: analoges Messsignal, Spannungssignal
S1: Diffentiersignal
S2: Rechtecksignal
SB: Signalbreite
P1: anliegender Fluid-Druck
Rs: Shunt-Widerstand
U: Spannung an Elektromagnet 3
U0: eingeschaltete Spannung (Schaltspannung)
Us: induzierte Spulen-Spannung
I: Grundstellung
II: Schaltstellung
Is: Induzierter Spulenstrom
Us: induzierte Spulenspannung
Δt, ΔI, ΔU: Differenzwerte der Zeit, des Stroms, der Spannung
Imin, Imin2: Minimalwerte des Stroms
Imax, Imin 2: Maximalwerte des Stroms
Umin, Umin 2: Minimalwerte der Spannung
Umax, Umax 2: Maximalwerte der Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4440531 C2 [0007]
EP 1644208 B1 [0008]
US 6318182 [0009]
DE 2257236 A1 [0010]

Claims

Elektromagnetische Ventilanordnung (1) für ein Fluid-System (10), insbesondere Pneumatik-System, die aufweist: ein elektrisch betätigtes Fluid-Ventil (2) mit mindestens zwei Fluid-Anschlüssen (2a, 2b, 2c), einen Elektromagnet (3) zur Ausbildung eines Schaltmagnetfeldes, einen zwischen einer Grundstellung (I)) bei nichtbestromtem Elektromagnet (3) und einer Schaltstellung (II)) bei bestromtem Elektromagnet (3) verstellbaren Anker (4), eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (6), die aufweist – eine Messeinrichtung (8) zum Messen eines aktuell durch den Elektromagnet (3) fließenden Spulen-Stroms (I) und/oder einer aktuellen induzierten Spulen-Spannung (U) als Messsignal (S0), – eine Auswerteeinrichtung (9), die ausgelegt ist, aus dem Messsignal (S0) einen in einem der Fluid-Anschlüsse (2a, 2b, 2c) anliegenden Fluid-Druck (P1) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (6) ausgelegt ist, aus einem Minimalwert und einem Maximalwert des Messsignals (S0) oder den Zeitpunkten des Minimalwertes und Maximalwertes des Messsignals (S0) einen Differenzwert (Δt, ΔI, ΔU) als analoge Differenz zu bilden und auszuwerten.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (6) zur Ermittlung und Bewertung einer Zeitdifferenz (Δt) des Minimalwertes und Maximalwertes des Messsignals (S0) ausgelegt ist und aufweist – ein Differentierglied (30) zur Bildung eines Diffentiersignals (S1) als zeitliche Ableitung des Messsignals (S0), – ein Komparatorglied (32) zum Vergleichen des Differentiersignals (S1) mit einer Referenzspannung (0 V) und Bildung eines Rechtecksignals (S2), wobei die Auswerteeinrichtung (9) eine zeitliche Pulsbreite des Rechtecksignals (S2) bewertet.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Komparatorglied (32) das Differentiersignal (S1) mit einer einer Null-Spannung, z. B. Masse (0 V) vergleicht und Nullstellen des Differentiersignals (S1) als lokalen Maximalwert und lokalen Minimalwert des Messsignals (S0) ermittelt, wobei das Rechtecksignal (S2) eine Signalbreite (SB) aufweist, aus der die Auswerteeinrichtung (9) den Fluid-Druck (P1) ermittelt.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Differentierglied (30) und das Komparatorglied (32) analoge Schalteinrichtungen, z. B. mit Operationsverstärkern, sind zum Aufnehmen und Verarbeiten analoger Signale.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (6) mindestens eine Sample- und -Hold-Einrichtung (36, 37) und einen analogen Subtrahierer (38) aufweist, wobei die mindestens eine Sample- und -Hold-Einrichtung (36, 37) einen Minimalwert (Imin, Umin, Imin 2, Umin 2) und Maximalwert (Imax, Umax, Imax 2, Umax 2) des Messsignals (S0) aufnimmt und analog zwischenspeichert und der analoge Subtrahierer (38) einen analogen Differenzwert (ΔI, ΔU) als Subtraktion aus dem Maximalwert und Minimalwert, vorzugsweise mit zusätzlicher Verstärkung, bildet.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenfeder (5) vorgesehen ist, die den Anker (4) in die Grundstellung (I)) vorspannt, wobei der zu ermittelnde Fluid-Druck (P1) eine Federkraft der Federeinrichtung (5) entweder verstärkt oder ihr entgegenwirkt.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einschaltvorgang unter Verstellung des Ankers (4) von der Grundstellung (I)) in die Schaltstellung (II)) die Messeinrichtung (8) den aktuellen durch den Elektromagnet (3) fließenden Spulen-Strom (I) misst.
Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausschaltvorgang von der Schaltstellung (II)) in die Grundstellung (I)) die Messeinrichtung (8) den aktuellen durch den Elektromagnet (3) fließenden Spulen-Strom (I) und/oder eine induzierte Spulen-Spannung (U) misst.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschaltvorgang ein induzierter Spulenstrom über eine Freilaufschaltung mit mindestens einer Diode und einem Widerstand geleitet wird, und die Messeinrichtung (8) den induzierten Freilaufstrom und/oder eine induzierte Spulen-Spannung (US) misst.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Speichereinrichtung mit Kalibrierdaten aufweist und auf Grundlage der Kalibrierdaten und dem aktuellen Rechtecksignal (S2) den mindestens ein Fluid-Druck (P1) ermittelt.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung als Vergleichsdaten ermittelte Vergleichsdaten oder gemessene Kalibrierdaten aufweist, z. B. als look-up-Tabelle, Zahlentupel oder interpolierte Kurve.
Fluid-System (10) für ein Fahrzeug, das aufweist: eine Fluid-Leitung, z. B. pneumatische Bremsleitung, pneumatische Versorgungsleitung am Eingang eines Mehrkreis-Schutzventils oder Zuführleitung für eine Luftfeder eines Fahrzeugs, eine Ventileinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, die an die Fluid-Leitung angeschlossen ist zur Steuerung eines Fluid-Durchlasses durch die Fluid-Leitung, wobei die Auswerteeinrichtung (9) den Druck (P1) in der Fluid-Leitung während eines Einschaltvorgangs und/oder Ausschaltvorgangs der Ventileinrichtung (1) ermittelt.
Fluid-System (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Druck (P1) als alleiniger Druckwert oder als Plausibilisierung zur Überprüfung eines von einem Drucksensor gemessenen Sensors vorgesehen ist.
Verfahren zum Ermitteln eines Fluid-Drucks (P1), bei dem ein elektromagnetisches Ventil (2) – in einem Einschaltvorgang von einer unbestromten Grundstellung (I)) in eine Schaltstellung (II)) durch Anlegen einer Spannung (U) an einen Elektromagneten (3) des Ventils (2) unter Verstellung eines Ankers (4) gegen eine Federwirkung verstellt wird und – in einem Ausschaltvorgang durch Ausschalten der Spannung (U) von der Schaltstellung (II) in die Grundstellung (I)) geschaltet wird, wobei während des Einschaltvorgangs- und/oder Ausschaltvorgangs ein zeitliches Verhalten des Spulen-Stroms (I) oder einer induzierten Spulen-Spannung (Us) des elektromagnetischen Ventils als analoge Messgröße (S0) gemessen wird, und aus dem zeitlichen Verhalten ein analoges Diffentsignal (Δt, ΔI, ΔU) gebildet und bewertet wird zur Ermittlung des Fluid-Drucks (P1) an mindestens einem der Anschlüsse (2a, 2b, 2c) des Fluid-Ventils (2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (I, U) zeitlich analog differenziert werden zu einem analogen Differentiersignal, aus dem Differentiersignal durch einen Vergleich mit einer Referenzspannung, vorzugsweise einer Null-Spannung, ein Rechtecksignal gebildet wird, dessen zeitliche Pulsbreiten (Δt) eine Zeitdauer zwischen den Extremwerten des Messsignals (I, U) angeben, die bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert und Minimalwert des Messsignals (I, U) analog erfasst und gehalten werden und einem analogen Subtrahierer (38) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Fluid-Druck (P1) zur Überprüfung eines durch einen Sensor gemessenen Druck herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Fluid-Druck (P1) herangezogen wird, um in Abhängigkeit des Druckwertes die Ventileinrichtung zu schalten.