DE102016220683A1

DE102016220683A1 - Method and circuit arrangement for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator

Info

Publication number: DE102016220683A1
Application number: DE102016220683.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Hilsch; Tobias Kirchner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors, wobei der Anker mittels Bestromung einer Spule (102) des elektromagnetischen Aktors (101) bewegbar ist, wobei die Position des Ankers unter Berücksichtigung einer Frequenz eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt wird, wobei eine Schaltung aus der die Spule (102) und einer Widerstandsschaltung (RS), die wenigstens zwei unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisend betreibbar ist, als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird, wobei an die Schaltung aus Spule (102) und Widerstandsschaltung (RS) ein oszillierendes Anregungssignal gelegt wird, wobei die Widerstandsschaltung (RS) während des Ladens der Spule (102) mit einem ersten der wenigstens zwei unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerte und während des Entladens der Spule (102) mit einem zweiten der wenigstens zwei unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerte betrieben wird.The invention relates to a method for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator, wherein the armature by means of energization of a coil (102) of the electromagnetic actuator (101) is movable, wherein the position of the armature taking into account a frequency of a vibrating signal in an oscillatory electrical system is determined, wherein a circuit of the coil (102) and a resistance circuit (RS), which is operable at least two different electrical resistance values, is used as a frequency-influencing element of the oscillatory electrical system, wherein the circuit of coil ( 102) and resistance circuit (RS) an oscillating excitation signal is applied, wherein the resistance circuit (RS) during charging of the coil (102) with a first of the at least two different electrical resistance values and during the discharge of the coil (102) with a second one of whom at least two different electrical resistance values is operated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Ansteuerung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist.The present invention relates to a method and a circuit arrangement for determining a position of an armature of an electromagnetic actuator, which is movable by means of driving a coil of the electromagnetic actuator.

Stand der TechnikState of the art

Elektromagnetische Aktoren mit Anker und Spule, bei denen der Anker bewegbar ist, indem die Spule bestromt wird, sind bekannt. Häufig finden solche elektromagnetischen Aktoren in Magnetventilen, bspw. für hydraulische Anwendungen, Verwendung. Dabei können solche Magnetventile als Proportionalventile verwendet werden, indem die Spule bspw. pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Dabei stellt sich aufgrund der Induktivität ein mittlerer Strom in der Spule ein. Als Gegenkraft zur Magnetkraft kann dabei eine Feder vorsehen sein, jedoch ist bspw. auch eine weitere Spule denkbar.Electromagnetic actuators with armature and coil, in which the armature is movable by the coil is energized, are known. Frequently find such electromagnetic actuators in solenoid valves, eg. For hydraulic applications, use. In this case, such solenoid valves can be used as proportional valves by the coil, for example, is controlled pulse width modulated. In this case, due to the inductance, a mean current in the coil. As a counter force to the magnetic force can be provided a spring, but, for example, another coil is conceivable.

Die tatsächliche Position des Ankers und somit eines bspw. an den Anker angebundenen Steuerschiebers oder dergleichen stimmt dabei jedoch oftmals nicht mit der aufgrund der Ansteuerung theoretisch vorgegebenen Position überein. Grund hierfür können bspw. Verschmutzungen oder unterschiedliche Drücke in den Hydraulikleitungen, die auf den Anker zurück wirken, sein.However, the actual position of the armature and thus, for example, a control slide or the like connected to the armature often does not coincide with the theoretically predetermined position due to the control. This may be due, for example, soiling or different pressures in the hydraulic lines, which act on the anchor back.

In der nicht vorveröffentlichten DE10 2015 213 206.4 werden ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors vorgeschlagen, wobei die die Position des Ankers aus einer Frequenzmessung eines Lade- und Entladestromverlaufs des Elektromagneten bestimmt wird. In the not pre-published DE10 2015 213 206.4 For example, a method and a circuit arrangement for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator are proposed, wherein the position of the armature is determined from a frequency measurement of a charging and discharging current profile of the electromagnet.

Es hat sich gezeigt, dass es wünschenswert ist, die Schaltung bei einer Frequenz von ca. 60-150 Hz schwingen zu lassen. In diesem Frequenzbereich steht eine ausreichende Dynamik des Messergebnisses zur Verfügung (Reaktionszeit ca. 30ms). Die Dynamik verbessert sich zwar mit zunehmender Frequenz. Allerdings wird mit zunehmender Frequenz auch der Einfluss von Wirbelströmen und der Remanenz des Magnetkreises größer.It has been found desirable to oscillate the circuit at a frequency of about 60-150 Hz. In this frequency range a sufficient dynamics of the measurement result is available (reaction time approx. 30ms). The dynamics improve with increasing frequency. However, as the frequency increases, so does the influence of eddy currents and the remanence of the magnetic circuit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method and a circuit arrangement for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist. Dazu wird die Position des Ankers unter Berücksichtigung einer Frequenz eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt, wobei die Spule als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird.An inventive method is used to determine a position of an armature of an electromagnetic actuator, which is movable by energizing a coil of the electromagnetic actuator. For this purpose, the position of the armature is determined taking into account a frequency of a vibrating signal in a vibratory electrical system, wherein the coil is used as a frequency-influencing element of the oscillatory electrical system.

Eine nur geringe Verschiebung der Position des Ankers im elektromagnetischen Aktor erzeugt eine auch nur geringe Änderung des Stroms bzw. dessen Verlaufs in der Spule. Eine solche geringe Änderung ist zwar theoretisch messbar, jedoch ist dies praktisch kaum durchzuführen, da eine Auflösung von geeigneten Abtastungsvorrichtungen in der Regel hierzu nicht ausreicht. Die Erfindung macht sich nun zunutze, dass sich eine solche geringe Änderung des Stroms jedoch in der Frequenz des Stromverlaufs und somit der Frequenz des schwingfähigen Systems bemerkbar macht, da sich die Änderungen jeder Periode aufaddieren und somit leichter messbar sind. Insbesondere kann auf diese Weise auch die Spule des elektromagnetischen Aktors selbst zur Bestimmung der Position des Ankers verwendet werden und es ist keine zusätzliche Messvorrichtung nötig. Dadurch werden Kosten eingespart.Only a slight shift of the position of the armature in the electromagnetic actuator generates even a small change in the current or its course in the coil. Although such a small change is theoretically measurable, this is virtually impossible to carry out, since a resolution of suitable scanning devices usually is not sufficient for this purpose. However, the invention now makes use of the fact that such a small change in the current manifests itself in the frequency of the current profile and thus the frequency of the oscillatory system, since the changes add up each period and are thus easier to measure. In particular, in this way, the coil of the electromagnetic actuator itself can be used to determine the position of the armature and there is no need additional measuring device. This saves costs.

Die Erfindung bildet nun diesen Gegenstand der DE10 2015 213 206.4 dahingehend weiter, dass die Spule des elektromagnetischen Aktors (vorzugsweise in Reihe) mit einer Widerstandsschaltung verschaltet ist, welche wenigstens zwei unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisend betreibbar ist. An die Schaltung aus Spule und Widerstandsschaltung kann nun ein (oszillierendes) Anregungssignal gelegt werden, wobei während des Ladens der Spule die Widerstandsschaltung mit einem ersten der wenigstens zwei unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerte und während des Entladens der Spule die Widerstandsschaltung mit einem zweiten der wenigstens zwei unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerte betrieben wird.The invention now forms this subject of DE10 2015 213 206.4 to the effect that the coil of the electromagnetic actuator (preferably in series) is connected to a resistance circuit which has at least two different electrical resistance values operable. An (oscillating) excitation signal can now be applied to the circuit comprising the coil and the resistance circuit, the resistance circuit being connected to a first of the at least two during the charging of the coil different electrical resistance values and during the discharge of the coil, the resistance circuit is operated with a second of the at least two different electrical resistance values.

Um Schwingung mit einer bevorzugten Frequenz zu erhalten, können die wenigstens zwei Widerstandswerte entsprechend gewählt werden.In order to obtain oscillation with a preferred frequency, the at least two resistance values can be selected accordingly.

Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass, wenn eine konstante Spannung an eine Induktivität und einen Vorwiderstand angelegt wird, es umso länger dauert, bis sich ein definierter Strom eingestellt hat, je größer der Widerstand ist. Andererseits entlädt sich die Spule umso schneller, je größer der Vorwiderstand ist, wenn eine Spannung von 0V angelegt bzw. die Schaltung kurzgeschlossen wird. Diese zur Optimierung der Messung gegenläufigen Effekte können vorzugsweise dadurch kombiniert werden, dass zwei unterschiedliche Widerstände für die unterschiedlichen Spannungswerte verwendet werden.The invention makes use of the fact that when a constant voltage is applied to an inductor and a series resistor, the longer the resistor, the longer it takes for a defined current to settle. On the other hand, the larger the series resistor, the faster the coil discharges, if a voltage of 0V is applied or the circuit is short-circuited. These counteracting effects for the optimization of the measurement can preferably be combined by using two different resistances for the different voltage values.

Beispielsweise wird die Schaltung aus der DE10 2015 213 206.4 nun so erweitert, dass Laden und Entladen der Spule über unterschiedliche Vorwiderstände erfolgt. Die Umschaltung kann z.B. preisgünstig durch Überbrücken eines Widerstands mit einem MOSFET erfolgen. Um nun beispielsweise die Schwingungsfrequenz abzusenken würde man einen vergleichsweise großen Ladewiderstand mit einem kleinen Entladewiderstand kombinieren. Dadurch kann sowohl beim Laden als auch beim Entladen eine größere Zeitkonstante realisiert werden.For example, the circuit will be out of the DE10 2015 213 206.4 now extended so that charging and discharging the coil via different series resistors. The switching can eg be done inexpensively by bridging a resistor with a MOSFET. For example, to lower the oscillation frequency, one would combine a comparatively large charging resistance with a small discharge resistance. As a result, a larger time constant can be realized both during charging and during discharging.

Vorzugsweise werden die Widerstandswerte so vorgegeben, dass der während der Schwingung durch die Spule fließende Strom so groß ist, dass ein robustes Messsignal erzeugt wird, aber auch so klein, dass keine Ankerbewegung ausgelöst wird. Hier wird z.B. ein Wert von 1-10mA oder 1-50mA angestrebt.Preferably, the resistance values are set such that the current flowing through the coil during the oscillation is so great that a robust measurement signal is generated, but also so small that no armature movement is triggered. Here is e.g. a value of 1-10mA or 1-50mA sought.

Ein weiteres Problem ist der Temperaturgang der Spule. Ein Parameter, der in die Zeitkonstante der Schwingung eingeht, ist der ohmsche bzw. Gleichstromwiderstand der Spule. Another problem is the temperature response of the coil. One parameter that enters into the time constant of the oscillation is the ohmic or DC resistance of the coil.

Dieser kann sich mit der Temperatur (z.B. -40°C bis 150°C) beispielsweise um einen Faktor 2 ändern. Ist nun jeder Widerstandswert der Widerstandsschaltung deutlich größer, wirkt sich der Temperaturgang der Spule entsprechend geringer aus.This may vary with temperature (e.g., -40 ° C to 150 ° C) by a factor of 2, for example. If now each resistance value of the resistance circuit is significantly larger, the temperature coefficient of the coil has a correspondingly lower effect.

Die Erfindung ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Veränderung der Schwingungsfrequenz unabhängig von der Auslegung des Stroms der Oszillatorschaltung. Auch gelingt eine weitgehende Kompensation des Temperaturgangs der Spule.The invention advantageously makes it possible to vary the oscillation frequency independently of the design of the current of the oscillator circuit. Also succeeds a substantial compensation of the temperature coefficient of the coil.

Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Frequenz des schwingenden Signals in dem schwingfähigen elektrischen System als Anregungssignal eine Spannung an der Reihenschaltung aus Spule und Widerstandsschaltung abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her bzw. umgeschaltet, wenn ein sich daraus ergebender Spulenstrom jeweils einen oberen bzw. unteren Schwellwert erreicht, wobei beim Umschalten zwischen den Spannungswerten auch der Widerstandswert der Widerstandsschaltung gewechselt wird, und als Frequenz des schwingenden Signals wird die Schaltfrequenz verwendet. Als die beiden Werte der Spannung können dabei im einfachsten Fall eine Versorgungsspannung oder ein Anteil der Versorgungsspannung und Null bzw. eine getrennte Spannungsversorgung verwendet werden. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, ein solches schwingfähiges System zu realisieren.Advantageously, in order to determine the frequency of the oscillating signal in the oscillatable electrical system as the excitation signal, a voltage on the series circuit of coil and resistance circuit is alternately switched between two values when a resulting coil current reaches an upper or lower threshold, respectively in that when switching between the voltage values also the resistance value of the resistance circuit is changed, and as the frequency of the oscillating signal, the switching frequency is used. In the simplest case, a supply voltage or a portion of the supply voltage and zero or a separate voltage supply can be used as the two values of the voltage. This is a particularly simple way to realize such a vibratory system.

Es ist von Vorteil, wenn eine dem Spulenstrom entsprechende Messspannung und eine Referenzspannung einem Komparator zugeführt werden, und wobei der Komparator zum Umschalten der Spannung an der Spule verwendet wird. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die alternierende Spannung zu erzeugen. Als Messspannung kann beispielsweise die an der Widerstandsschaltung abfallende Spannung oder eine durch einen Transimpedanzverstärker erzeugte Spannung werden.It is advantageous if a measurement voltage corresponding to the coil current and a reference voltage are supplied to a comparator, and wherein the comparator is used to switch the voltage across the coil. This is an easy way to generate the alternating voltage. By way of example, the voltage drop across the resistance circuit or a voltage generated by a transimpedance amplifier can be used as the measurement voltage.

Alternativ zum Komparator erfolgt das Umschalten der Spannung an der Spule mittels einer durch den Spulenstrom gesteuerten Kippschaltung. Hierzu können Schalter wie bspw. Transistoren verwendet werden, mit denen durch Kondensatoren, die durch den ansteigenden und abfallenden Spulenstrom abwechselnd geladen und entladen werden, die alternierende Spannung erzeugt wird. Auch hiermit können auf einfache Weise eine alternierende Spannung erzeugt und die Frequenz des Spulenstroms abgegriffen werden.As an alternative to the comparator, the switching of the voltage at the coil takes place by means of a flip-flop circuit controlled by the coil current. For this purpose, it is possible to use switches, for example transistors, with which the alternating voltage is generated by capacitors which are alternately charged and discharged by the rising and falling coil current. Again, an alternating voltage can be generated in a simple manner and the frequency of the coil current can be tapped.

Vorzugsweise wird aus der Frequenz die Position des Ankers ermittelt, indem aus der Frequenz unter Berücksichtigung eines ohmschen Widerstands der Spule und der Widerstandsschaltung eine Induktivität der Spule und aus dieser die Position ermittelt wird. Dies ist insbesondere möglich, wenn die Spule als einziges frequenzbeeinflussendes Bauteil verwendet wird. Der Anstieg des Stroms in der Spule bei anliegender Spannung und der Abfall des Stroms bei Spannung Null bzw. getrennter Spannungsversorgung sind dabei nur vom ohmschen Widerstand und der Induktivität der Spule sowie von der Widerstandsschaltung abhängig. Insbesondere ist das Verfahren somit auch unabhängig von Schwankungen in der Versorgungsspannung. Je höher die Induktivität ist, desto langsamer ist bspw. der Anstieg. Über die Frequenz kann somit, bei bekanntem ohmschen Widerstand, auf die Induktivität der Spule geschlossen werden. Die Induktivität wiederum ist abhängig von der Position des Ankers relativ zur Spule. Der Zusammenhang zwischen Induktivität und Position des Ankers kann dabei bspw. in einer entsprechenden Tabelle hinterlegt sein. Dies stellt somit eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung der Position des Ankers dar. Für eine detaillierte Erläuterung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.The position of the armature is preferably determined from the frequency by determining an inductance of the coil from the frequency taking into account an ohmic resistance of the coil and the resistance circuit and from this the position. This is particularly possible when the coil as single frequency-influencing component is used. The increase in the current in the coil when the voltage is applied and the drop in the current at zero voltage or separate power supply are dependent only on the ohmic resistance and the inductance of the coil and the resistance circuit. In particular, the method is thus independent of fluctuations in the supply voltage. The higher the inductance, the slower is, for example, the increase. By means of the frequency it is thus possible, with a known ohmic resistance, to deduce the inductance of the coil. The inductance in turn depends on the position of the armature relative to the coil. The relationship between inductance and position of the armature can be stored, for example, in a corresponding table. This thus represents a simple possibility for determining the position of the armature. For a detailed explanation, reference should be made at this point to the description of the figures.

Vorteilhafterweise wird der ohmsche Widerstand der Spule durch Anlegen einer vorbestimmten, konstanten Spannung an die Spule und Ermittlung des Spulenstroms ermittelt. Wenn der ohmsche Widerstand der Spule nicht bekannt ist, so kann er auf einfache Weise bestimmt werden, indem eine vorbestimmte, konstante Spannung an die Spule angelegt und der Spulenstrom gemessen wird. Dabei ist zu beachten, dass die Ansteuerung der Spule mit der alternierenden Spannung unterbrochen werden muss, während der ohmsche Widerstand gemessen wird. Auf diese Weise kann auch eine Temperatur der Spule, die sich auf den ohmschen Widerstand der Spule auswirkt, bei der Ermittlung der Position des Ankers berücksichtigt werden. Bevorzugt kann dabei auch die Umschaltung zwischen alternierender und konstanter Spannung so aufeinander abgestimmt werden, dass unmittelbar vor Anlegen der konstanten Spannung ein Spulenstrom vorliegt, der einem Strom entspricht, der bei etwas geringerer als der vorbestimmten, konstanten Spannung erreicht würde. Damit wird eine möglichst kurze Messdauer für den Widerstand erreicht, da sich der Strom nicht lange einschwingen muss. Bspw. kann bei einer vorbestimmten Spannung von 130 mV ein Strom in der Spule abgewartet werden, der in etwa 100 mV konstanter Spannung entspräche.Advantageously, the ohmic resistance of the coil is determined by applying a predetermined, constant voltage to the coil and determining the coil current. If the ohmic resistance of the coil is not known, it can easily be determined by applying a predetermined, constant voltage to the coil and measuring the coil current. It should be noted that the control of the coil with the alternating voltage must be interrupted while the ohmic resistance is measured. In this way, a temperature of the coil, which has an effect on the ohmic resistance of the coil, can be taken into account in determining the position of the armature. Preferably, the switching between alternating and constant voltage can be coordinated so that immediately before applying the constant voltage, a coil current is present, which corresponds to a current that would be reached at something less than the predetermined, constant voltage. This achieves the shortest possible measuring duration for the resistor, since the current does not have to settle for a long time. For example. At a predetermined voltage of 130 mV, it is possible to wait for a current in the coil which would correspond to approximately 100 mV of constant voltage.

Vorteilhafterweise umfasst die Position des Ankers eine Position, die einer Endstellung des Ankers ohne eine den Anker bewegende Bestromung der Spule entspricht. Ohne eine solche, den Anker bewegende Bestromung, wird die Spannung, deren Frequenz ermittelt wird, nicht beeinflusst, wodurch eine genauere Messung möglich ist. Auf diese Weise kann sehr einfach eine Endstellung des Ankers überprüft werden. Zudem kann hier aus der Frequenz die Position des Ankers sehr einfach dadurch ermittelt werden, dass eine gemessene Frequenz mit einer Frequenz, die einer Endstellung des Ankers im unbestromten Zustand entspricht, verglichen wird. Die dieser Endstellung des Ankers entsprechende Frequenz kann dabei bspw. für ein Magnetventil einmalig ermittelt und hinterlegt werden. Weiterhin kann auch eine Frequenz einer Endstellung bei bestromtem Zustand herangezogen werden. Dabei sei angemerkt, dass hierfür keine Magnetventile in Frage kommen, deren sicherer Zustand (bspw. geschlossen) bei voll bestromter Spule vorliegt. Dies ist jedoch für die allermeisten Anwendungsfälle nicht der Fall, da der sichere Zustand in der Regel der unbestromte Zustand ist.Advantageously, the position of the armature comprises a position corresponding to an end position of the armature without an armature moving energization of the coil. Without such, the armature moving energization, the voltage whose frequency is detected, is not affected, allowing a more accurate measurement is possible. In this way, it is very easy to check an end position of the armature. In addition, the position of the armature can be determined from the frequency very simply by comparing a measured frequency with a frequency which corresponds to an end position of the armature in the de-energized state. The frequency corresponding to this end position of the armature can, for example, be determined and stored once for a solenoid valve. Furthermore, a frequency of an end position can also be used when energized. It should be noted that this does not come into question solenoid valves whose safe state (eg. Closed) is present at fully energized coil. However, this is not the case for the vast majority of applications, since the safe state is usually the de-energized state.

Vorzugsweise wird aus der Position des Ankers eine Position einer mit dem Anker verbundenen Komponente ermittelt. Insbesondere wird der elektromagnetische Aktor zum Steuern eines Magnetventils, insbesondere eines Proportional-Magnetventils, weiter insbesondere für hydraulische Anwendungen, wobei der Anker mit einem Steuerschieber verbunden ist, verwendet, und dabei aus der Position des Ankers eine Position des Steuerschiebers ermittelt. Wie bereits eingangs erwähnt, ist bei solchen Magnetventilen oftmals die genaue Position des Steuerschiebers von Interesse. Aus der Position des Ankers kann sehr einfach auf die Position der Komponente oder des Steuerschiebers geschlossen werden, indem die geometrischen Abmessungen berücksichtigt werden.Preferably, a position of a component connected to the armature is determined from the position of the armature. In particular, the electromagnetic actuator for controlling a solenoid valve, in particular a proportional solenoid valve, in particular for hydraulic applications, wherein the armature is connected to a spool, used, and thereby determines from the position of the armature, a position of the spool. As already mentioned, the exact position of the spool is often of interest in such solenoid valves. The position of the armature makes it very easy to deduce the position of the component or spool by taking into account the geometrical dimensions.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist. Die Schaltungsanordnung weist dabei Ansteuermittel, die dazu eingerichtet sind, ein die Spule und eine Widerstandsschaltung, die wenigstens zwei unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisend betreibbar ist, als ein frequenzbeeinflussendes Element aufweisendes schwingfähiges System anzusteuern, Frequenzerfassungsmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Frequenz, mit der ein Signal in dem schwingfähigen System schwingt, zu ermitteln, und Auswertemittel, die dazu eingerichtet sind, aus der Frequenz eine Position des Ankers zu ermitteln, auf. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung derart aufgebaut sein, dass die Spule und die Widerstandsschaltung das einzige frequenzbeeinflussende Element des schwingfähigen elektrischen Systems ist.A circuit arrangement according to the invention is used to determine a position of an armature of an electromagnetic actuator, which can be moved by energizing a coil of the electromagnetic actuator. In this case, the circuit arrangement has drive means which are set up to control a oscillatory system having the coil and a resistance circuit which can be operated with at least two different electrical resistance values, as a frequency-influencing element, frequency detection means which are set up to have a frequency with which Signal in the oscillatory system oscillates to detect and evaluation means adapted to determine from the frequency a position of the armature on. In particular, the circuit arrangement may be constructed such that the coil and the resistance circuit is the only frequency-influencing element of the oscillatory electrical system.

Es ist von Vorteil, wenn die Ansteuermittel weiterhin dazu eingerichtet sind, unter Berücksichtigung eines Spulenstroms eine Spannung an der Spule abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her bzw. umzuschalten. Bei einer solchen Schaltungsanordnung handelt es sich somit um eine Art Oszillatorbeschaltung, bei der die Spule und die Widerstandsschaltung als zeitbestimmendes Element dienen.It is advantageous if the drive means are further adapted, taking into account a coil current, a voltage across the coil alternately between two values back and forth or switch. In such a circuit arrangement is thus a kind of oscillator circuit, in which the coil and the resistance circuit serve as a time-determining element.

Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung auch Mittel auf, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.The circuit arrangement preferably also has means in order to carry out a method according to the invention.

Bezügliche der Vorteile einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und deren erfindungsgemäßer Verwendung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.With regard to the advantages of a circuit arrangement according to the invention and its use according to the invention, reference is made to the above statements on the method according to the invention in order to avoid repetition.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenlistelist of figures

1 schematically shows a solenoid valve, in which a method according to the invention is feasible.
2 schematically shows a circuit arrangement according to the invention in a preferred embodiment.
3 shows by means of purely schematic voltage curves, the generation of a voltage across a coil according to a method of the invention in a preferred embodiment.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist schematisch ein Magnetventil 100 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 100, das vorliegend als Proportionalventil ausgebildet ist, weist einen elektromagnetischen Aktor 101 auf, welcher wiederum eine Spule 102 und einen darin beweglichen Anker 103 aufweist.In 1 is schematically a solenoid valve 100 shown, in which a method according to the invention is feasible. The solenoid valve 100 , which in the present case is designed as a proportional valve, has an electromagnetic actuator 101 on which in turn a coil 102 and an armature movable therein 103 having.

Mit dem Anker 103 ist ein Steuerschieber 104 verbunden, der in einem Ventilgehäuse 106 hin und her bewegt werden kann. Der Steuerschieber 104 ist mittels einer Feder 105 gegen ein Ende des Ventilgehäuses 106 abgestützt. Durch Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 101 wird der Anker 103 bewegt und somit der Ventilschieber 104 gegen die Feder 105 gedrückt. Auf diese Weise lässt sich die Position x des Ankers 103 bzw. des Ventilschiebers 104 verändern. Dazu kann die Ansteuerung der Spule 102 bspw. (über hier nicht gezeigte Anschlüsse) pulsweitenmoduliert erfolgen.With the anchor 103 is a control valve 104 connected in a valve body 106 can be moved back and forth. The spool 104 is by means of a spring 105 against one end of the valve housing 106 supported. By controlling the electromagnetic actuator 101 becomes the anchor 103 moves and thus the valve spool 104 against the spring 105 pressed. In this way, the position x of the anchor can be 103 or the valve spool 104 change. This can be the control of the coil 102 For example (via connections not shown here) carried out pulse width modulated.

Durch die Bewegung des Ventilschiebers 104 wird ein Durchfluss durch das Ventilgehäuse 106 von einem Anschluss A zu einem Anschluss B eingestellt. Es versteht sich, dass die Anschlüsse eines solchen Ventils auch anders ausgestaltet sein können. Ebenso können mehr Anschlüsse, die von einem Ventilschieber gesteuert werden, vorhanden sein.By the movement of the valve spool 104 becomes a flow through the valve body 106 from a terminal A to a terminal B is set. It is understood that the connections of such a valve can also be configured differently. Likewise, more ports controlled by a valve spool may be present.

In 2 ist schematisch und vereinfacht eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 200 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Für die Spule 102 ist vorliegend nur deren Induktivität L dargestellt. An die Spule 102 wird über ein Widerstandsschaltung RS eine Spannung V2 angelegt, die zwischen zwei Werten hin und her wechseln bzw. umgeschaltet werden kann.In 2 is schematic and simplifies a circuit arrangement according to the invention 200 shown in a preferred embodiment. For the coil 102 in the present case, only its inductance L is shown. To the coil 102 a voltage V2 is applied via a resistance circuit RS, which can be switched back and forth between two values.

Die Widerstandsschaltung RS weist vorliegend eine Parallelschaltung von zwei Widerständen RE und RL auf, die mittels Schaltmitteln S, welche zwei Halbleiterschalter und eine Steuereinheit aufweisen, in den Strompfad der Spule 102 geschaltet werden können.The resistance circuit RS has in the present case a parallel connection of two resistors RE and RL, which by means of switching means S, which have two semiconductor switches and a control unit, in the current path of the coil 102 can be switched.

Die Spannung V2 wird vorliegend durch Ansteuermittel 210 aus- und eingeschaltet. Die Schaltmittel S werden vorliegend durch die Ansteuermittel 210 so angesteuert, dass wechselweise entweder der Widerstand RE oder der Widerstand RL in Reihe mit der Spule 102 geschaltet ist.The voltage V2 is present by driving means 210 switched off and on. The switching means S are present by the drive means 210 so driven that alternately either the resistor RE or the resistor RL in series with the coil 102 is switched.

Die Ansteuermittel 210 weisen zur Erzeugung der Ansteuersignale einen Komparator oder Vergleicher K2 auf, der über eine Versorgungsspannung V+ versorgt wird und an dessen nicht invertierendem Eingang eine Referenzspannung U_R anliegt, die über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R2 und R3 von einer Versorgungsspannung V+ erzeugt wird und über einen Widerstand R1 mit seiner eigenen Ausgangsspannung rückgekoppelt ist. The driving means 210 have for generating the drive signals to a comparator or comparator K2, which is supplied via a supply voltage V + and at its non-inverting input a reference voltage U _R is applied, which is generated via a voltage divider with the resistors R2 and R3 from a supply voltage V + and a Resistor R1 is fed back with its own output voltage.

Am invertierenden Eingang des Komparators K2 liegt über einen Widerstand R37 eine Messspannung U_I an, die einem Strom, der in der Spule 102 fließt entspricht. Auf diese Weise erzeugen die Ansteuermittel 210 in Art eines Schmitt-Triggers ein Rechtecksignal, mit dem die Spannung V2 ein- und ausgeschaltet bzw. die Widerstände RE, RL umgeschaltet werden, wobei vorliegend während des Aufladens, d.h. es liegt die die Spannung V2 an, der Widerstand RL („Ladewiderstand“), und während des Entladens, d.h. es liegt Masse an, der Widerstand RE („Entladewiderstand“) in Reihe mit der Spule 102 geschaltet sind.At the inverting input of the comparator K2 is connected via a resistor R37 to a measurement voltage U _I , which is a current in the coil 102 flows corresponds. In this way, the drive means generate 210 in the manner of a Schmitt trigger, a square-wave signal with which the voltage V2 is switched on and off or the resistors RE, RL are switched, in the present case during charging, that is, the voltage V2 is present, the resistance RL ("charging resistance" ), and during discharge, ie, ground, the resistance RE ("discharge resistance") is in series with the coil 102 are switched.

Beim Aufladen kann die Schaltung aus Spule 102 und Widerstand RL kann durch folgende Differentialgleichung beschrieben werden: $V 2 = (R L + R 102) I + L \frac{d I}{d t}$

wobei R102 den ohmschen Widerstand der Spule bezeichnet.When charging, the circuit can be out of coil 102 and resistance RL can be described by the following differential equation:

V 2 = (R L + R 102) I + L \frac{d I}{d t}

where R102 denotes the ohmic resistance of the coil.

Der Entladevorgang wird durch folgende Differentialgleichung beschrieben: $0 = (R E + R 102) I + L \frac{d I}{d t}$

The unloading process is described by the following differential equation:

0 = (R e + R 102) I + L \frac{d I}{d t}

Ein Ziel ist, RE und RL so vorzugeben, dass eine Abhängigkeit der Frequenz von R102 möglichst gering wird. Das heißt, eine Änderung des Widerstands R102 der Spule soll die Frequenz des Stroms kaum beeinflussen.One goal is to specify RE and RL so that a dependence of the frequency of R102 is as small as possible. That is, a change in the resistance R102 of the coil should hardly affect the frequency of the current.

Vorteilhafterweise ist der Ladewiderstand sehr gering, z.B. Null. Vorteilhafterweise ist der Entladewiderstand größer als der ohmsche Widerstand der Spule, vorzugsweise doppelt so groß. Weiterhin wird der Entladewiderstand vorzugsweise in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung vorgegeben, vorzugsweise proportional dazu.Advantageously, the charging resistance is very low, e.g. Zero. Advantageously, the discharge resistance is greater than the ohmic resistance of the coil, preferably twice as large. Furthermore, the discharge resistor is preferably predetermined as a function of the supply voltage, preferably in proportion thereto.

In 3 ist die Erzeugung der Spannung V2 anhand von rein schematischen Spannungsverläufen dargestellt. Dabei sind in zwei Diagrammen jeweils eine Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen. Die Messspannung U_I, die dem Spulenstrom in der Spule 102 entspricht, wird dabei über Stromerfassungsmittel 220, die vorliegend einen Operationsverstärker K3 als Transimpedanzverstärker aufweisen, ermittelt.In 3 the generation of the voltage V2 is shown by purely schematic voltage curves. In each case, a voltage U is plotted against the time t in two diagrams. The measuring voltage U _I , which is the coil current in the coil 102 corresponds, is doing about current detection means 220 , which in the present case comprise an operational amplifier K3 as a transimpedance amplifier.

Wenn nun bspw. initial zu einem Zeitpunkt t₀ eine Spannung U an die Spule 102 und die Widerstandsschaltung RS angelegt wird, so steigt der Spulenstrom I gemäß der Formel $I (t) = \frac{U}{R 102 + R L} (1 - exp [- \frac{t \cdot R 102 + R L}{L}])$

über der Zeit t an. R102 bezeichnet dabei den ohmschen Widerstand der Spule 102. Erreicht der Spulenstrom I bzw. die diesem entsprechende Messspannung U_I nun bspw. zu einem Zeitpunkt t₁ einen oberen Schwellwert U_R,2 und übersteigt somit die Messspannung U_I die Referenzspannung, wie im oberen Diagramm der 3 gezeigt, so wird die Spannung an der Spule und der Widerstandsschaltung RS durch den Komparator K2 bspw. auf Null bzw. Masse geschaltet und der Spulenstrom I fällt ab gemäß der Formel

I (t) = \frac{U}{R 102 + R E} exp [- \frac{t \cdot R 102 + R E}{L}] .

If, for example, initially at a time t _0, a voltage U to the coil 102 and the resistance circuit RS is applied, the coil current I increases according to the formula

I (t) = \frac{U}{R} (1 - exp [- \frac{t \cdot R 102 + R L}{L}])

over time t. R102 indicates the ohmic resistance of the coil 102 , If, for example, the coil current I or the measuring voltage U _I corresponding thereto reaches an upper threshold value U _{R, 2} at a time t ₁ _, the measured voltage U _I thus exceeds the reference voltage, as in the upper diagram of FIG 3 shown, the voltage across the coil and the resistance circuit RS is switched by the comparator K2, for example, to zero or ground and the coil current I falls according to the formula

I (t) = \frac{U}{R 102 + R e} exp [- \frac{t \cdot R 102 + R e}{L}],

Nachdem der Spulenstrom I bzw. die diesem entsprechende Messspannung U_I nun bspw. zu einem Zeitpunkt t₂ einen unteren Schwellwert U_R,1 erreicht hat und somit die Messspannung U_I die nun niedrigere Referenzspannung (die Referenzspannung hängt von der Ausgangsspannung des Komparators ab) unterschreitet, so wird die Spannung V2 an der Spule durch den Komparator K2 wieder auf die vorher anliegende Spannung geschaltet. Zur 3 sei angemerkt, dass die Referenzspannung U_R mit den beiden Grenzwerten U_R,1 und U_R,2 hier um die halbe Versorgungsspannung V+ pendelt, wenn die beiden Widerstände R2 und R3 gleich groß gewählt werden. Die Größe der Hysterese des Schmitt-Triggers wird durch R1 definiert. After the coil current I or the measuring voltage U _I corresponding thereto has now eg reached a lower threshold U _{R, 1} at a time t ₂ and thus the measuring voltage U _{I has} the now lower reference voltage (the reference voltage depends on the output voltage of the comparator) undershoots, the voltage V2 is switched to the coil by the comparator K2 back to the previously applied voltage. to 3 It should be noted that the reference voltage U _R with the two limit values U _{R, 1} and U _{R, 2} here by the half supply voltage V + oscillates when the two resistors R2 and R3 are chosen to be equal. The magnitude of the hysteresis of the Schmitt trigger is defined by R1.

Die Frequenz, mit der der Spulenstrom I bzw. mit der die an der Spule anliegende Spannung V2 hin und her geschaltet wird, kann bspw. mit Frequenzerfassungsmitteln 260 am Ausgang der Ansteuermittel 210 bzw. des Komparators K2 abgegriffen und Auswertemitteln 270 zugeführt werden. In den Auswertemitteln kann nun aus der Frequenz mittelbar (z.B. über die Induktivität L der Spule 102) oder unmittelbar (z.B. durch Vergleich mit Referenzwerten) die Position x des Ankers 103 ermittelt werden.The frequency with which the coil current I or with which the voltage V2 applied to the coil is switched back and forth can, for example, with frequency detection means 260 at the output of the drive means 210 or the comparator K2 tapped and evaluation means 270 be supplied. In the evaluation means can now indirectly from the frequency (eg via the inductance L of the coil 102 ) or directly (eg by comparison with reference values) the position x of the anchor 103 be determined.

Die Frequenz oder eine Größenordnung der Frequenz kann dabei durch geeignete Wahl der Größen der an der Schaltungsanordnung beteiligten Bauteile in etwa auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Der letztlich gemessene, genaue Wert der Frequenz hängt dabei natürlich von der Induktivität der Spule bzw. der Ankerposition ab.The frequency or an order of magnitude of the frequency can be adjusted by a suitable choice of the sizes of the components involved in the circuit arrangement approximately to a desired value. The ultimately measured, exact value of the frequency of course depends on the inductance of the coil or the anchor position.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102015213206 [0004, 0009, 0012]

Claims

A method for determining a position of a movable armature (103) of an electromagnetic actuator (101), wherein the armature is movable by energizing a coil (102) of the electromagnetic actuator (101), the position (x) of the armature (103) taking into account a frequency of a vibrating signal is determined in a vibratory electrical system, wherein a circuit of the coil (102) and a resistance circuit (RS), which is operable at least two different electrical resistance values is used as a frequency-influencing element of the oscillatory electrical system, wherein the circuit of coil (102) and resistance circuit (RS) an excitation signal is applied, wherein the resistance circuit (RS) during charging of the coil (102) with a first of the at least two different electrical resistance values and during the discharge of the coil (102 ) with a second of the at least two different operating electrical resistance values.

Method according to Claim 1 in which, to determine the frequency of the oscillating signal in the oscillatable electrical system as the excitation signal, a voltage at the circuit of coil (102) and resistance circuit (RS) is alternately switched between two values when a resulting coil current (I) each reaches an upper or lower threshold, and when switching between the two values, the resistance value of the resistance circuit (RS) is changed, and the frequency of the oscillating signal, the switching frequency is used.

Method according to Claim 2 Wherein a coil current (I) corresponding measuring voltage (U _I) and a reference voltage is supplied (U _R) of a comparator (K2), and wherein the comparator (K2) for switching the voltage across the coil (102) is used.

Method according to one of the preceding claims, wherein from the frequency, the position (x) of the armature (103) is determined by an inductance (L) of the coil is determined from the frequency taking into account an ohmic resistance (R _L ) of the coil, and From the inductance (L) of the coil, the position (x) of the armature (103) is determined.

Method according to Claim 4 in which the ohmic resistance (R _L ) of the coil is determined by applying a predetermined, constant voltage to the coil (102) and determining the coil current (I).

Method according to one of the preceding claims, wherein the position (x) of the armature (103) comprises a position corresponding to an end position of the armature (103) without energizing the coil (102) moving the armature (103).

Method according to one of the preceding claims, wherein a position (x ') of a component (104) connected to the armature (103) is determined from the position (x) of the armature (103).

Method according to one of the preceding claims, wherein the electromagnetic actuator (101) for controlling a solenoid valve (100), in particular a proportional solenoid valve, further in particular for hydraulic applications, in which the armature (103) is connected to a control slide (104), is used, and from the position (x) of the armature (103) a position (x ') of the spool (104) is determined.

Circuit arrangement (200, 300) for determining a position (x) of a movable armature (103) of an electromagnetic actuator (101), which is movable by energizing a coil (102) of the electromagnetic actuator (101) Drive means (210, 310) adapted to drive a vibratory electrical system having the coil (102) and a resistance circuit (RS) operable to have at least two different electrical resistance values as a frequency-influencing element, Frequency detection means (260) adapted to determine a frequency with which a signal oscillates in the oscillatory system, and Evaluation means (270), which are adapted to determine from the frequency of a position (x) of the armature (102).

Circuit arrangement (200, 300) according to Claim 9 wherein the drive means are further adapted to switch a voltage across the coil (102) alternately between two values, taking into account a coil current (I).

Circuit arrangement (200, 300) according to Claim 10 , with current detection means (220) adapted to detect the coil current (I).

Circuit arrangement (200) according to Claim 11 wherein the drive means (210) comprises a comparator (K2) connected to the current sensing means (220) with an inverting input and to which a reference voltage (U _R ) is applied at a non-inverting input.

Use of a circuit arrangement (200, 300) according to one of Claims 8 to 12 to carry out a method according to one of Claims 1 to 8th ,