DE102016220690A1

DE102016220690A1 - Method for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator

Info

Publication number: DE102016220690A1
Application number: DE102016220690.7A
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 (103) eines elektromagnetischen Aktors (101), wobei der Anker mittels Bestromung einer Spule (102) des elektromagnetischen Aktors (101) bewegbar ist, wobei die Position (x) des Ankers (103) unter Berücksichtigung einer Anstiegszeit (T2) und einer Abfallzeit (T1) einer Periode eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt wird, wobei die Spule (102) als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird.The invention relates to 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), wherein the position (x) of the armature ( 103) in consideration of a rise time (T2) and a fall time (T1) of a period of a vibrating signal in a vibratory electrical system, the coil (102) being used as a frequency-influencing element of the oscillatable electrical system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Ansteuerung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist, und eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for determining a position of an armature of an electromagnetic actuator, which is movable by means of driving a coil of the electromagnetic actuator, and a computing unit and a computer program for its implementation.

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. Es hat sich gezeigt, dass es durch das Einwirken von magnetischen bzw. elektromagnetischen Feldern, wie sie beispielsweise durch Schaltvorgänge benachbarter elektromagnetischer Aktoren verursacht werden, zu Störungen im Messsignal kommt. Die Störung kann dabei so stark sein, dass die Periodendauer der Schwingung verändert wird oder die Schwingung sogar ganz aussetzt. Zum Aussetzen der Schwingung kann es z.B. dann kommen, wenn der durch die Störung in die Spule induzierte Strom größer ist als die untere Umschaltschwelle der Schwingung.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. It has been found that interference with the measuring signal occurs through the action of magnetic or electromagnetic fields, for example caused by switching operations of neighboring electromagnetic actuators. The disturbance can be so strong that the period of the oscillation is changed or the oscillation even completely suspended. To suspend the oscillation may occur, for example, when the current induced by the disturbance in the coil is greater than the lower switching threshold of the oscillation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for determining a position of a movable armature of an electromagnetic actuator and a computer unit and a computer program for carrying it out 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 Periodendauer bzw. Frequenz des Stromverlaufs und somit in der Periodendauer bzw. 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. The invention now makes use of the fact that such a small change in the current makes itself noticeable in the period or frequency of the current profile and thus in the period or 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 Position des Ankers unter Berücksichtigung einer Anstiegszeit und einer Abfallzeit einer Periode des schwingenden Signals bestimmt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine über wenigstens eine Periode anhaltende Störung den oberen Umschaltpunkt des schwingenden Signals in eine Richtung und den unteren Umschaltpunkt in die andere Richtung verschiebt, die Summe aus Anstiegszeit und Abfallzeit jedoch im Wesentlichen konstant bleibt. Wenn in diesem Fall die Frequenz an jedem Umschaltpunkt bestimmt würde, führte dies zu Sprüngen im Messwert.The invention now forms this subject of DE10 2015 213 206.4 in that the position of the armature is determined in consideration of a rise time and a fall time of a period of the oscillating signal. Namely, it has been found that a disturbance lasting at least one period shifts the upper switching point of the oscillating signal in one direction and the lower switching point in the other direction, but the sum of rise time and fall time remains substantially constant. If, in this case, the frequency were determined at each switching point, this led to jumps in the measured value.

Prinzipiell gilt, dass die Auswirkungen auf den Strom durch die Spule durch induzierte Störungen umso geringer sind, je höher der Strom durch die Spule ist. Weiterhin gilt, dass der Einfluss der Störung auch davon abhängt, wie flach der Verlauf des Stroms der Schwingung in der Nähe der Schaltschwelle ist. Bei flachem Verlauf ist die zeitliche Auswirkung der Störung auf die Schwingung größer. Die Schwingung selbst ist üblicherweise ein abwechselndes Laden und Entladen der Spule, wobei die Ladezeit die Anstiegszeit ist und die Entladezeit die Abfallzeit ist. In principle, the higher the current through the coil, the lower the effects on the current through the coil due to induced disturbances. Furthermore, the influence of the disturbance also depends on how flat the course of the current of the oscillation is in the vicinity of the switching threshold. When running flat, the temporal impact of the disturbance on the vibration is greater. The vibration itself is usually an alternating charging and discharging of the coil, the charging time is the rise time and the discharge time is the fall time.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass induzierte Störungen, insbesondere wenn sie länger als die Schwingungsperiode sind, wirkungsvoll unterdrückt werden können. Hierzu gehören besonders die von benachbarten schaltenden Spulen erzeugten Störungen.The invention offers the advantage that induced disturbances, especially if they are longer than the oscillation period, can be effectively suppressed. These include especially the interference generated by adjacent switching coils.

Die Schwingschaltung kann, nachdem die Spule im Arbeitsbetrieb bestromt wurde, schneller wieder messen. Die Kompensation funktioniert auch für Ströme, die durch das eigene, sich abbauende Magnetfeld, verursacht wurden.The oscillating circuit can measure faster again after the coil has been energized in working mode. The compensation also works for currents caused by the own, degrading magnetic field.

Störungen können durch unterschiedliche Zeiten für Anstieg und Abfall von Änderungen der Frequenz aufgrund von Ankerbewegungen unterschieden werden. Mittelwertfilter sind daher nicht nötig, was die Dynamik bzw. Schnelligkeit der Messung erhöht.Disturbances can be distinguished by different times for increase and decrease of changes in frequency due to armature movements. Mean value filters are therefore not necessary, which increases the dynamics or speed of the measurement.

Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Anstiegszeit und der Abfallzeit als Anregungssignal eine Spannung an der Spule abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her bzw. umgeschaltet, wenn ein sich daraus ergebender Spulenstrom jeweils einen oberen (d.h. am Ende des Ladens) bzw. unteren (d.h. am Ende des Entladens) Schwellwert erreicht. Als die beiden Werte 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, to determine the rise time and the fall time as the excitation signal, a voltage across the coil is alternately switched between two values when a resulting coil current is respectively upper (ie at the end of charge) and lower (ie at the end unloading) threshold value reached. 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. This is a particularly simple way to realize such a vibratory system.

Vorzugsweise werden aus einem mittleren Verhältnis von Anstiegszeit zu Periodendauer (d.h. Summe aus Anstiegszeit und Abfallzeit) (im Folgenden auch als Tastgrad bezeichnet) und der aktuellen Anstiegszeit eine aktuelle Ladefrequenz und/oder aus dem Tastgrad und der aktuellen Abfallzeit eine aktuelle Entladefrequenz bestimmt. Diese Frequenzen können besonders einfach für die Auswertung herangezogen werden.Preferably, a current charge frequency is determined from an average ratio of rise time to period duration (i.e., sum of rise time and fall time) (hereinafter also referred to as duty cycle) and the current rise time, and a current discharge frequency is determined from the duty cycle and the current fall time. These frequencies can be used very easily for the evaluation.

Der mittlere Tastgrad der Schwingung ändert sich nur allmählich mit der Temperatur (genauer dem Gleichstromwiderstand) der Spule. Er wird im laufenden Betrieb bestimmt, insbesondere unter Verwendung eines Mittelwertfilters. Die Temperatur ändert sich im Vergleich zu einer Störung nur sehr langsam. Der „normale“ ungestörte Tastgrad wird zweckmäßigerweise über einen langen Zeitraum, z.B. mehrere Minuten, vorzugsweise durch arithmetische Mittelwertbildung, ermittelt. Die Mittelwertbildung kann auch gewichtet sein, z.B. aktuellere Werte stärker berücksichtigen. Vorteilhaft ist es auch, die Mittelwertbildung während einer Störung auszusetzen.The average duty cycle of the oscillation changes only gradually with the temperature (more precisely, the DC resistance) of the coil. It is determined during operation, in particular using a mean value filter. The temperature changes very slowly compared to a fault. The "normal" undisturbed duty cycle is conveniently carried out over a long period, e.g. several minutes, preferably by arithmetic averaging determined. The averaging can also be weighted, e.g. take more recent values into account. It is also advantageous to suspend the averaging during a fault.

Vorzugsweise wird die Entladefrequenz bestimmt als Produkt des Kehrwerts der Abfallzeit mit dem Tastgrad. Ebenso Vorzugsweise wird die Ladefrequenz bestimmt als Produkt des Kehrwerts der Abfallzeit mit der Differenz aus Eins und dem Tastgrad.Preferably, the discharge frequency is determined as the product of the reciprocal of the fall time with the duty cycle. Also preferably, the charging frequency is determined as the product of the reciprocal of the fall time with the difference of one and the duty cycle.

Im ungestörten Fall sind Entladefrequenz und Ladfrequenz identisch mit der klassisch gemessenen Frequenz. Bei einer Störung wird, wie oben erläutert, die Abfallzeit größer und die Anstiegszeit kleiner oder umgekehrt. Folglich wird die Entladefrequenz kleiner und die Ladefrequenz größer oder umgekehrt. Somit kann eine Störung auf einfache Weise erkannt werden.In the undisturbed case, the discharge frequency and charging frequency are identical to the classically measured frequency. In a disturbance, as explained above, the fall time is greater and the rise time smaller or vice versa. As a result, the discharge frequency becomes smaller and the charging frequency becomes larger or vice versa. Thus, a fault can be easily detected.

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. Die Messspannung kann beispielsweise durch einen Shuntwiderstand oder einen Transimpedanzverstärker erzeugt 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. The measuring voltage can be generated for example by a shunt resistor or a transimpedance amplifier.

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 bzw. Gleichstromwiderstands der Spule 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 abhängig. Insbesondere weil der Transistor vor der Spule aus der Versorgungsspannung ein Rechtecksignal mit definierter Amplitude macht, 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 or DC resistance of the coil and from this the position. This is particularly possible when the coil is used as the only frequency-influencing component. 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 only dependent on the ohmic resistance and the inductance of the coil. In particular, because the transistor in front of the coil from the supply voltage makes a square wave signal with a defined amplitude, 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.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.

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 Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Elektromagneten, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control device of an electromagnet, is, in particular programmatically, arranged to perform a method according to the invention.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

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 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 einen Widerstand R35 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 is applied via a resistor R35, a voltage V2, which can switch between two values back and forth or can be switched.

Die Spannung V2 wird vorliegend durch Ansteuermittel 210 aus- und eingeschaltet. Die Ansteuermittel 210 weisen dazu 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 voltage V2 is present by driving means 210 switched off and on. The driving means 210 have for this purpose a comparator or comparator K2, which is supplied via a supply voltage V + and at whose 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 via a resistor R1 with its own output voltage is fed back.

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 wird.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.

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.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.

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.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 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 die Zeit t an. R_L 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 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 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. R _L denotes 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 at the coil by the comparator K2, for example, is switched to zero or ground and the coil current I drops 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.

In 4 ist ein Beispiel einer Messspannung U gegen die Zeit t aufgetragen, wie sie sich in der Praxis ergeben kann. Die Periodendauer T setzt sich zusammen aus einer Anstiegszeit T2 während eines Ladens der Spule (V2 liegt an) und einer Abfallzeit T1 während eines Entladens der Spule (Masse liegt an).In 4 an example of a measuring voltage U is plotted against the time t, as it may arise in practice. The period T consists of a rise time T2 during a charging of the coil (V2 is applied) and a fall time T1 during a discharge of the coil (ground is applied).

In 5 sind in drei Diagrammen die Messspannung U, die sich daraus ergebende Anstiegszeit T2 und Abfallzeit T1 und ein beispielhaftes Störsignal U_S, welches von einem Schaltvorgang eines elektromagnetischen Aktors eines benachbarten Magnetventils in die Spule induziert wird, gegen die Zeit aufgetragen.In 5 are plotted against the time in three diagrams, the measurement voltage U, the resulting rise time T2 and fall time T1 and an exemplary noise signal U _S , which is induced by a switching operation of an electromagnetic actuator of an adjacent solenoid valve in the coil.

Es ist erkennbar, dass ein Störsignal einer bestimmten Polarität zu einem Zeitpunkt ca. 0,1 zu einer Vergrößerung von T1 (d.h. die Abfallzeit wird länger) und einer Verkleinerung von T2 (d.h. die Anstiegszeit wird kürzer) führt, und dass ein Störsignal einer entgegengesetzten Polarität zu einem Zeitpunkt ca. 0,56 zu einer Vergrößerung von T2 und einer Verkleinerung von T1 führt.It can be seen that an interference signal of a certain polarity at a time about 0.1 to an increase of T1 (ie, the fall time is longer) and a reduction of T2 (ie, the rise time is shorter), and that a noise signal of an opposite Polarity at a time about 0.56 leads to an increase of T2 and a reduction of T1.

Vorzugsweise wird laufend ein Tastgrad d aus einem mittleren Verhältnis von Anstiegszeit T2 zu Periodendauer T einer Periode unter Verwendung eines Mittelwertfilters bestimmt. Der mittlere Tastgrad der Schwingung ändert sich nur allmählich mit der Temperatur der Spule. Preferably, a duty cycle d is continuously determined from an average ratio of rise time T2 to period duration T of a period using a mean value filter. The average duty cycle of the oscillation changes only gradually with the temperature of the coil.

Weiterhin wird für jede Periode aus dem Tastgrad und der aktuellen Anstiegszeit eine aktuelle Ladefrequenz und aus dem Tastgrad und der aktuellen Abfallzeit eine aktuelle Entladefrequenz bestimmt. Diese Frequenzen können besonders einfach für die weitere Auswertung herangezogen werden.Furthermore, a current charging frequency is determined for each period from the duty cycle and the current rise time, and a current discharge frequency is determined from the duty cycle and the current fall time. These frequencies can be used very easily for further evaluation.

Vorzugsweise wird die Entladefrequenz f1 bestimmt als Produkt des Kehrwerts der Abfallzeit T1 mit dem Tastgrad d: f1 = 1/T1 * d.Preferably, the discharge frequency f1 is determined as the product of the reciprocal of the fall time T1 with the duty cycle d: f1 = 1 / T1 * d.

Vorzugsweise wird die Ladefrequenz f2 bestimmt als Produkt des Kehrwerts der Abfallzeit T2 mit der Differenz aus Eins und dem Tastgrad d: f2 = 1/T2 (1-d)Preferably, the charging frequency f2 is determined as the product of the reciprocal of the fall time T2 with the difference of one and the duty cycle d: f2 = 1 / T2 (1-d)

Im ungestörten Fall sind f1 und f2 identisch mit der klassisch gemessenen Frequenz f. Bei einer Störung, wie oben erläutert, verhalten sich T1 und T2 und damit auch f1 und f2 entgegengesetzt. Eine Mittelung beider Werte bei geeigneter Gewichtung hebt die Störung auf, so dass daraus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Position des Ankers bestimmt werden kann. In the undisturbed case, f1 and f2 are identical to the classically measured frequency f. In a disturbance, as explained above, T1 and T2 and thus also f1 and f2 behave in opposite directions. An averaging of both values with a suitable weighting reverses the disturbance so that, according to a preferred embodiment of the invention, the position of the armature can be determined therefrom.

Eine bevorzugte Methode zur Auswertung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Dort sind in einem oberen Diagramm 601 im Falle einer Störung tatsächlich auftretende Messwerte für f1 und f2 und interpolierte Werte gegen die Zeit aufgetragen.A preferred method of evaluation is described below with reference to 6 described. There are in an upper diagram 601 in the event of a fault, actually occurring measured values for f1 and f2 and interpolated values plotted against time.

Die beiden Frequenzen f1 und f2 werden nacheinander berechnet. Wenn eine exponentiell abklingende Störung, wie z.B. ein Schaltvorgang eines Nachbarventils, vorhanden ist, so sind die beiden Frequenzen unterschiedlich gestört. Um diesen Effekt nicht zu einer Verfälschung der Auswertung führen zu lassen, werden gleichzeitige Werte (d.h. für denselben Zeitpunkt) für f1 und f2 berechnet, wobei zu jedem Messwert der einen Frequenz f1, f2 ein interpolierter Wert f2*, f1* der jeweils anderen berechnet wird. Die Interpolation kann z.B. linear oder exponentiell erfolgen.The two frequencies f1 and f2 are calculated one after the other. If an exponentially decaying disorder, such as a switching operation of a neighboring valve, is present, the two frequencies are disturbed differently. In order not to let this effect lead to a falsification of the evaluation, simultaneous values (ie for the same instant) are calculated for f1 and f2, whereby for each measured value of the one frequency f1, f2 an interpolated value f2 *, f1 * of the other one is calculated becomes. The interpolation may e.g. be linear or exponential.

In einem zweiten Schritt werden jeweils zwei gleichzeitige Werte von f1 und f2 gewichtet gemittelt, um einen gewichteten Mittelwert f0, wie in Diagramm 602 dargestellt, zu erhalten. Daraus kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Position des Ankers bestimmt werden. Insbesondere kann nach Bestimmung einer der beiden Frequenzen f1, f2 der (theoretische) Wert dieser Frequenz zum Zeitpunkt der letzten Bestimmung der anderen Frequenz interpoliert werden. Diese beiden Werte können dann miteinander verrechnet werden, da sie denselben Zeitstempel besitzen. Die Gewichtung kann vorzugsweise von der Auslegung der Schaltung abhängig gemacht werden. Lade -und Entladeströme der Spule können mit unterschiedlichen Vorwiderständen realisiert sein. Entsprechend ist die Lade- oder die Entladephase anfälliger für Störungen. Je niederohmiger der Vorwiderstand, desto robuster ist der Wert und desto stärker kann er gewichtet werden. Weiterhin spielt die jeweilige Dauer der Lade- und Entladephase eine Rolle. Je länger eine Phase dauert, desto anfälliger ist sie für Störungen. Sie sollte dann untergewichtet werden.In a second step, two simultaneous values of f1 and f2 are weighted averaged to give a weighted average f0, as in diagram 602 shown to receive. From this, according to a preferred embodiment of the invention, the position of the armature can be determined. In particular, after determining one of the two frequencies f1, f2, the (theoretical) value of this frequency can be interpolated at the time of the last determination of the other frequency. These two values can then be offset against each other since they have the same time stamp. The weighting may preferably be made dependent on the layout of the circuit. Charging and discharging currents of the coil can be realized with different series resistors. Accordingly, the charging or discharging phase is more susceptible to disturbances. The lower the resistance, the more robust the value and the stronger it can be weighted. Furthermore, the respective duration of the charging and discharging phase plays a role. The longer a phase lasts, the more susceptible it is to interference. It should then be underweighted.

Allerdings kann beim Einsetzen der Störung ein korrektes Ergebnis nicht immer sichergestellt werden. Beispielsweise ist zu sehen, dass die ersten gestörten Werte bei T2 und T3 in der Mittelung zu einem abweichenden Wert fm führen würden. Aus diesem Grund wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu Beginn einer Störung, insbesondere innerhalb der ersten beiden Rechenzeittakte eines getakteten Rechenverfahrens, keine Position des Ankers aus den Frequenzen berechnet.However, a correct result can not always be ensured when the fault starts. For example, it can be seen that the first disturbed values at T2 and T3 in the averaging would result in a different value fm. For this reason, according to a preferred embodiment of the invention, no position of the armature is calculated from the frequencies at the beginning of a disturbance, in particular within the first two arithmetic time clocks of a clocked arithmetic process.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102015213206 [0004, 0008]

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 rise time (T2) and a fall time (T1) of a period of a vibrating signal in a vibratory electrical system is determined, the coil (102) being used as a frequency-influencing element of the oscillatable electrical system.

Method according to Claim 1 in which an actual charging frequency (f2) is determined from an average ratio of rise time (T2) to period duration (T) and the current rise time (T2) and / or from the average ratio of rise time (T2) to period duration (T) and the current fall time (T1) a current discharge frequency (f1) is determined, wherein the position (x) of the armature (103) from the current charging frequency (f2) and the current discharge frequency (f1) is determined.

Method according to Claim 1 or 2 in which an oscillating excitation signal is applied to the coil (102), which alternately leads to charging and discharging of the coil (102), and wherein a charging time is determined as a rise time (T2) and a discharge time as a fall time (T1).

Method according to Claim 3 wherein, as the excitation signal, a voltage on the coil (102) is alternately switched between two values when a resultant coil current (I) reaches an upper and lower threshold, respectively.

Method according to Claim 4 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 the position (x) of the armature (103) is determined taking into account the rise time (T2) and the fall time (T1), taking into account the rise time (T2) and the fall time (T1) and a ohmic resistance (R _L ) of the coil, an inductance (L) of the coil is determined, and from the inductance (L) of the coil, the position (x) of the armature (103) is determined.

Method according to Claim 6 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.

Arithmetic unit which is adapted to carry out a method according to one of the preceding claims.

Computer program, which causes a computing unit, a method according to one of Claims 1 to 10 when executed on the computing unit.

Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon Claim 12 ,