DE102018113860A1

DE102018113860A1 - PWM-Ansteuerung für Elektromagnetventile

Info

Publication number: DE102018113860A1
Application number: DE102018113860.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Feinauer; Simon Kastner; Dinko Begovic; Sebastian Frank
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-12
Also published as: US10804817B2; CN110580997A; CN110580997B; US20190376612A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Schaltkreis zur elektronischen Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs eines Elektromagnetventils. Der Schaltkreis ist eingerichtet, um für den elektromagnetischen Antrieb ein Steuersignal bereitzustellen, das einen High-Pegel und einen Low-Pegel aufweist. Das Steuersignal weist mindestens ein erstes Zeitintervall mit einem ersten Tastverhältnis, ein optionales zweites Zeitintervall mit einem zweiten Tastverhältnis und ein drittes Zeitintervall mit einem dritten Tastverhältnis auf, wobei das erste, zweite und dritte Tastverhältnis kleiner Eins sind und das erste Tastverhältnis größer ist als das zweite Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis größer ist als das dritte Tastverhältnis. Die zeitliche Länge der Zeitintervalle und die Größe der Tastverhältnisse sind so ausgestaltet, dass der elektromagnetische Antrieb im ersten Zeitintervall von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wechselt, optional im zweiten Zeitintervall im zweiten Betriebszustand bleibt und im dritten Zeitintervall vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand wechselt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis und ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs eines Elektromagnetventils, insbesondere für die Ansteuerung mit einem PWM-Signal.
HINTERGRUND
Elektromagnetventile mit elektromagnetischem Antrieb werden vielseitig verwendet. So gibt es bespielweise Pilotmagnetventile, die in Steuerköpfen verwendet werden und einen gewissen Druck auf die Eingangsseite eines Hauptventils bereitstellen. Pilotmagnetventile können beispielsweise die notwendige Luft zum Öffnen und Schließen eines Prozessventils steuern. Der elektromagnetische Antrieb von Elektromagnetventilen umfasst typischerweise einen Anker und eine Spule, die bspw. mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal angesteuert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Steuerung von Elektromagnetventilen mit elektromagnetischen Antrieben gegenüber dem Stand der Technik im Hinblick auf die Leistungsaufnahme und die Komplexität zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt wird ein Schaltkreis zur elektronischen Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs eines Elektromagnetventils (auch Elektromagnetventil) bereitgestellt. Der Schaltkreis ist eingerichtet, um für den elektromagnetischen Antrieb ein Steuersignal bereitzustellen, das einen High-Pegel (EIN-Pegel) und einen Low-Pegel (AUS-Pegel) aufweist, bzw. zwischen dem High-Pegel und dem Low-Pegel alterniert. Das Steuersignal weist mindestens ein erstes Zeitintervall mit einem ersten Tastverhältnis, ein optionales zweites Zeitintervall mit einem zweiten Tastverhältnis und ein drittes Zeitintervall mit einem dritten Tastverhältnis auf.
Im vorliegenden Kontext ist das Tastverhältnis, das Verhältnis von AN-Zeit (Dauer bzw. Zeitspanne während der das Signal auf dem High-Pegel ist) zur Summe von AUS-Zeit (Dauer bzw. Zeitspanne während der das Signal auf dem Low-Pegel ist) und AN-Zeit. Die Summe von AN-Zeit und AUS-Zeit kann der Periode oder auch der Grundfrequenz des Steuersignals entsprechen, wie es bspw. bei pulsmodulierten Signalen (PWM-Signalen) üblich ist. Vorteilhaft folgen das erste Zeitintervall, optional das zweite Zeitintervall und das dritte Zeitintervall zeitlich aufeinander, besonders vorteilhaft unmittelbar aufeinander. Ferner ist das erste, zweite und dritte Tastverhältnis kleiner Eins. Mit anderen Worten wechselt innerhalb der Zeitintervalle das Signal mindestens einmal von High-Pegel auf Low-Pegel oder bleibt vollständig auf Null. Das erste Tastverhältnis ist größer als das zweite Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis ist größer als das dritte Tastverhältnis. Die Dauer der Zeitintervalle und die Größe der Tastverhältnisse sind vorteilhaft so ausgestaltet, dass der elektromagnetische Antrieb im ersten Zeitintervall von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wechselt, im optionalen zweiten Zeitintervall im zweiten Betriebszustand bleibt und im dritten Zeitintervall vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand wechselt. Gemäß den vorstehenden Aspekten können zahlreiche Vorteile erzielt werden. Zunächst kann der Pegel einer Spannungsversorgung in Form eines mittleren oder zeitlich gemittelten Pegels für den elektromagnetischen Antrieb durch Wahl des Tastverhältnisses angepasst werden. Der Energieverbrauch bzw. die Leistungsaufnahme des elektromagnetischen Antriebs kann abgesenkt werden, wenn der elektromagnetische Antrieb im zweiten Betriebszustand ist und das Elektromagnetventil kann zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand gezielt wechseln, ohne dass zwischen den Betriebszuständen weitere Zwischenzustände eingestellt werden müssen.
Bei dem Steuersignal kann es sich vorteilhaft um eine Verknüpfung von PWM-Signalen (PWM-Signalen), besonders vorteilhaft um eine Verknüpfung von zwei PWM-Signalen handeln. Die Verknüpfung kann vorteilhaft eine logische UND-Verknüpfung sein. Entsprechend kann das Steuersignal einen ersten und einen zweiten Signalanteil enthalten. Der erste und zweite Signalanteil kann jeweils von einem ersten PWM-Signal und einem zweiten PWM-Signal bereitgestellt werden, die entsprechend kombiniert werden.
Das erste PWM-Signal kann eine erste Grundfrequenz aufweisen und das zweite PWM-Signal kann eine zweite Grundfrequenz aufweisen. Die erste Grundfrequenz kann vorteilhaft größer sein als die zweite Grundfrequenz. Die erste Grundfrequenz und das erste Tastverhältnis können vorteilhaft so groß sein, dass der elektromagnetische Antrieb vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechseln kann. Die erste Grundfrequenz und das zweite Tastverhältnis können vorteilhaft so groß sein, dass der elektromagnetische Antrieb im zweiten Betriebszustand verbleiben kann.
Die erste Grundfrequenz kann bspw. auch ein positives ganzzahliges Vielfaches der zweiten Grundfrequenz sein.
Unabhängig vom Verhältnis der ersten Grundfrequenz zur zweiten Grundfrequenz kann das zweite PWM-Signal auch so eingerichtet sein, dass zumindest die AUS-Zeit(en) des zweiten PWM-Signals länger ist (sind), als die AUS-Zeit(en) des ersten PWM-Signals. Vorteilhaft können sowohl die AN-Zeit(en) als auch die AUS-Zeit(en) des zweiten PWM-Signals länger sein als die AN-Zeit(en) und AUS-Zeit(en) des ersten PWM-Signals.
Das erste PWM-Signal kann zur Bereitstellung des ersten Zeitintervalls mit dem ersten Tastverhältnis und zur Bereitstellung des optionalen zweiten Zeitintervalls mit dem zweiten Tastverhältnis eingerichtet sein.
Das zweite PWM-Signal kann zur Bereitstellung des dritten Zeitintervalls mit dem dritten Tastverhältnis eingerichtet sein. Das zweite PWM-Signal kann die Stellgröße für das Elektromagnetventil sein.
Das zweite PWM-Signal kann so eingerichtet sein, dass das Elektromagnetventil immer vollständig geöffnet und vollständig geschlossen wird und dadurch eine bestimmte Sollposition des Elektromagnetventils im zeitlichen Mittel eingestellt wird.
Das dritte Tastverhältnis kann vorteilhaft Null sein. Das zweite Zeitintervall kann vorteilhaft zwingend, also nicht optional vorgesehen sein.
Der Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das erste PWM-Signal und das zweite PWM-Signal gemäß oder mittels einer Verknüpfung, insbesondere einer logischen Verknüpfung, und insbesondere einer logischen UND-Verknüpfung, zu verknüpfen und zu einem einzigen bzw. dem Steuersignal zu kombinieren. Dabei gilt entsprechend dem Prinzip der UND-Verknüpfung, dass der Pegel des Steuersignals für den elektromagnetischen Antrieb nur dann auf dem High-Pegel (EIN-Pegel) ist, wenn sowohl das erste PWM-Signal als auch das zweite PWM-Signal gleichzeitig auf einem High-Pegel sind.
In einer Ausgestaltung kann der Schaltkreis entsprechend ein UND-Gatter bzw. eine Schaltung oder mehrere Gatter mit äquivalenter Funktionalität umfassen. Das UND-Gatter oder die äquivalente Schaltung können dann das erste und zweite PWM-Signal erhalten und logisch UND-verknüpfen.
Der Schaltkreis kann ferner auch einen Transistor umfassen, der mit dem elektromagnetischen Antrieb gekoppelt ist. Der Ausgang des UND-Gatters bzw. der äquivalenten Schaltung kann dann bspw. an den Transistor ausgegeben werden, der mit dem elektromagnetischen Antrieb derart gekoppelt ist, dass der elektromagnetische Antrieb mit dem Ausgangssignal bzw. mit dem Steuersignal über den Transistor angesteuert wird.
Der Schaltkreis kann einen Mikrocontroller umfassen. Das erste PWM-Signal oder auch das zweite PWM-Signal kann von dem Mikrocontroller bereitgestellt werden. Das erste oder auch zweite PWM-Signal kann auch von einer diskreten Schaltung bereitgestellt werden.
Der Schaltkreis kann ausgestaltet sein, um einen Versorgungsspannungspegel einer Versorgungsspannung für den elektromagnetischen Antrieb zu erfassen. Insbesondere kann der Schaltkreis ausgestaltet sein, um ein, mehrere oder alle Tastverhältnisses des Steuersignals in Reaktion auf diesen Versorgungsspannungspegel anzupassen. Der Schaltkreis kann hierfür bspw. einen AD-Wandler umfassen, der mit der Spannungsversorgung zum Erfassen eines Versorgungsspannungspegels gekoppelt ist und entsprechend digitale Daten an den Mikrocontroller ausgibt, um ein oder mehrere Tastverhältnisse, insbesondere das erste und/oder zweite Tastverhältnis anzupassen.
Der Schaltkreis kann sich in einem Stellungsregler beziehungsweise Positioner (Positionierer) befinden.
Der Positioner oder Stellungsregler kann am oder im Elektromagnetventil angeordnet sein.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs für ein Elektromagnetventil bereitgestellt. Entsprechend wird ein Steuersignal zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebs bereitgestellt, wobei das Steuersignal ein erstes Zeitintervall, ein optionales zweites Zeitintervall und ein drittes Zeitintervall aufweist, die zeitlich, vorteilhaft unmittelbar aufeinander folgen. Das erste Zeitintervall weist ein erstes Tastverhältnis, das zweite Zeitintervall ein zweites Tastverhältnis und das dritte Zeitintervall ein drittes Tastverhältnis auf, wobei das Tastverhältnis im ersten, zweiten und dritten Zeitintervall kleiner Eins ist, und das erste Tastverhältnis größer ist als das zweite Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis größer ist als das dritte Tastverhältnis.
Das erste Zeitintervall und das erste Tastverhältnis können derart eingestellt werden, dass der elektromagnetische Antrieb von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wechselt. Das optionale zweite Zeitintervall und das zweite Tastverhältnis können derart eingestellt werden, dass der elektromagnetische Antrieb bzw. das Elektromagnetventil im zweiten Betriebszustand verbleibt. Das dritte Zeitintervall und das dritte Tastverhältnis können derart eingestellt werden, dass der elektromagnetische Antrieb bzw. das Elektromagnetventil vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand wechselt.
Das dritte Tastverhältnis kann Null betragen. Mit anderen Worten kann im dritten Intervall das Steuersignal ausgeschaltet sein und bleiben bzw. durchgängig einen Low-Pegel aufweisen.
Der erste Betriebszustand des elektromagnetischen Antriebs kann der geschlossene Betriebszustand des Elektromagnetventils sein und der zweite Betriebszustand kann der geöffnete Betriebszustand des Elektromagnetventils sein. In einer anderen Ausgestaltung kann dies auch umgekehrt gelten. Vorteilhaft betreffen der erste und zweite Betriebszustand jedoch eine vollständige Öffnung oder ein vollständiges Geschlossen sein des Ventils.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Versorgungsspannungspegel des elektromagnetischen Antriebs erfasst werden und das erste Tastverhältnis und/oder zweite Tastverhältnis basierend auf dem erfassten Versorgungsspannungspegel eingestellt werden. Dadurch kann immer gewährleistet werden, dass die erforderliche zeitlich gemittelte Spannung am elektromagnetischen Antrieb anliegt.
Figurenliste
Weitere vorteilhafte Aspekte und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren verdeutlicht, dabei ist

1 ein vereinfachtes schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit drei PWM-Signalen, und
2 ein vereinfachtes schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit drei PWM-Signalen mit zeitlich unterschiedlichen Tastverhältnissen einzelner Signale, und
3 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Schalkreises zur Bereitstellung eines Steuersignals für einen elektromagnetischen Antrieb eines Elektromagnetventils.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten PWM-Signal (PWM-Signal) PWM1, PWM2, PWM3. Das dritte PWM-Signal PWM3 dient als Steuersignal zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Antriebs eines Elektromagnetventils in einer ersten Ausführungsform. Der elektromagnetische Antrieb umfasst eine Magnetspule, die basierend auf dem Steuersignal betrieben wird. Das erste PWM-Signal PWM1 dient als Betriebsgröße mit Versorgungsspannungsanpassung und das zweite PWM-Signal PWM2 als Stellgröße für den elektromagnetischen Antrieb. Das dritte PWM-Signal PWM3 ist eine nach dem Prinzip der UND-Verknüpfung erstellte Kombination aus dem ersten PWM-Signal PWM1 und dem zweiten PWM-Signal PWM2. Dabei gilt, dass der Pegel des dritten PWM-Signals PWM3, bzw. der Pegel des Steuersignals für den elektromagnetischen Antrieb nur dann auf dem High-Pegel (EIN-Pegel) ist, wenn sowohl das erste PWM-Signal PWM1 als auch das zweite PWM-Signal PWM2 gleichzeitig auf einem High-Pegel sind. Das Steuersignal bzw. das dritte PWM-Signal PWM3 beinhaltet alle vorteilhaften Eigenschaften des ersten und zweiten PWM-Signals PWM1 und PWM2.
Im Spannungs-Zeit-Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Spannung aufgetragen. Das oberste Signal bildet ein erstes PWM-Signal PWM1. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten T0PWM1 und T1PWM1 ist die Periodendauer T1 des ersten PWM-Signals PWM1. Die Periodendauer T1 umfasst einen kompletten Zyklus, also die Summe von AN-Zeit und AUS-Zeit. Der Kehrwert der Periodendauer T1 ist die Grundfrequenz F1. Die AN-Zeit T1 EIN entspricht der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten T0PWM1 und T01PWM1 und die AUS-Zeit T1AUS entspricht der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten T01PWM1 und T1PWM1. Während der AN-Zeit T1EIN ist das PWM-Signal PWM1 hoch, d.h. die Amplitude bzw. der Pegel ist hoch (High). Während der AUS-Zeit T1AUS ist das PWM-Signal PWM1 niedrig , d.h. die Amplitude bzw. der Pegel ist niedrig (Low). Das Verhältnis der AN-Zeit T1EIN zur Periodendauer T1 entspricht dem ersten Tastverhältnis TV1. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt TV1 beispielsweise 50 % im Falle des ersten PWM-Signals PWM1. Das erste PWM-Signal PWM1 sorgt für eine adäquate zeitlich gemittelte Versorgungsspannung für die Magnetspule.
Die Versorgungsspannung für die Magnetspule kann sowohl aufgrund der nominalen Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzteils unterschiedlich sein als auch während des Betriebes des Elektromagnetventils Schwankungen unterliegen. Über das erste Tastverhältnis TV1 kann die Spannung einer Versorgungsspannungsquelle an die benötigte Spannung über der Magnetspule angepasst werden. Beispielsweise kann mittels des Tastverhältnisses von 50 % eine anfängliche Eingangsspannung von 24 V auf eine effektive (zeit-gemittelte) Eingangsspannung von 12 V, die an die Magnetspule angelegt wird, reduziert werden. Durch die reduzierte effektive Spannung Ueff über der Magnetspule sinkt der Strom durch die Spule. Die Reduktion der effektiv angelegten Spannung Ueff und die damit einhergehende Reduktion der angelegten Stromstärke bewirkt insbesondere eine Reduktion der zum Betrieb der Spule aufzubringenden elektrischen Leistung (Reduktion der Verlustleistung). Das erste Tastverhältnis TV1 ist immer kleiner Eins, weist also eine endliche AUS-Zeit T1AUS auf.
Aus dem Kehrwert der Periodendauer T1 ergibt sich eine erste Grundfrequenz F1 des ersten PWM-Signals PWM1. Das erste Tastverhältnis TV1 ist derart gewählt, dass ausreichend Leistung für einen Wechsel von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Antriebs bereitgestellt wird. Im vorliegenden Fall ist das die Positionsänderung eines Ankers des elektromagnetischen Antriebs von einer nicht-angezogenen Position in eine angezogene Position. Ist der Anker in der angezogenen Position, kann bspw. ein Prozessfluidstrom (Luftstrom) bereitgestellt werden. Das Elektromagnetventil kann dabei im geöffneten Betriebszustand sein. Der elektromagnetische Antrieb befindet sich dann im zweiten Betriebszustand.
Das zweite PWM-Signal PWM2 stellt die Stellgröße für den elektromagnetischen Antrieb dar. Die Stellgröße bestimmt die Position des Ankers und somit, ob ein Prozessfluidstrom (Luftstrom) bereitgestellt wird. Das zweite PWM-Signal PWM2 kann grundsätzlich eine längere Periodendauer T2 als das erste PWM-Signal PWM1 und somit eine niedrigere Grundfrequenz F2 als das erste PWM-Signal PWM1 aufweisen.
Unabhängig vom Verhältnis der Grundfrequenzen F1 und F2 kann das zweite PWM-Signal PWM2 auch so definiert sein, dass zumindest die AUS-Zeit(en) des zweiten PWM-Signals PWM2 länger ist (sind), als die AUS-Zeiten des ersten PWM-Signals PWM1. Außerdem kann (können) vorteilhaft sowohl die AN-Zeit(en) T2EIN als auch die AUS-Zeit(en) T2AUS länger sein als die AN-Zeit(en) und AUS-Zeit(en) des ersten PWM-Signals PWM1. Die zweite Grundfrequenz F2 und ein Tastverhältnis des zweiten PWM-Signals PWM2 oder die AN-Zeit T2EIN und die AUS-Zeit T2AUS sind derart gewählt, dass der Anker einerseits während der AN-Zeit T2EIN von der nicht-angezogenen Position in die angezogene Position wechseln kann und ggf. in der angezogenen Position verbleibt und anderseits während einer ausreichend langen AUS-Zeit T2AUS zurück in die nicht-angezogene Position wechselt. In der nicht-angezogenen Position des Ankers ist das Elektromagnetventil im geschlossenen Betriebszustand. Der elektromagnetische Antrieb befindet sich dabei im ersten Betriebszustand. In Folge der notwendigen längeren AUS-Zeit T2AUS des zweiten PWM-Signals PWM2 für den Wechsel des Ankers in die nicht-angezogene Position, kann die zweite Grundfrequenz F2 kleiner sein als die erste Grundfrequenz F1 des ersten PWM-Signals PWM1. Das Tastverhältnis des zweiten PWM-Signals PWM2 kann immer kleiner Eins sein. Grundsätzlich ist die AUS-Zeit T2AUS so gewählt, dass das Elektromagnetventil von dem zweiten Betriebszustand (bspw. offen) in den ersten Betriebszustand (geschlossen) wechseln kann. Zudem ist die AN-Zeit T2EIN so gewählt, dass das Elektromagnetventil von dem ersten Betriebszustand (bspw. geschlossen) in den zweiten Betriebszustand (bspw. offen) wechseln und ggf. auch in diesem zweiten Betriebszustand verbleiben kann.
Das dritte PWM-Signal PWM3 ist das Steuersignal für den elektromagnetischen Antrieb und wird aus einer Kombination mittels einer logischen UND-Verknüpfung des ersten PWM-Signals PWM1 als erstem Signalanteil S1 und des zweiten PWM-Signals PWM2 als zweitem Signalanteil S2 gebildet. Das dritte PWM-Signal PWM3 umfasst mindestens zwei relevante Zeitintervalle, wobei diese aus Gründen der Konsistenz als erstes Zeitintervall IV1 und als drittes Zeitintervall IV3 bezeichnet werden. Entsprechend besitzt das erste Zeitintervall IV1 ein erstes Tastverhältnis TV1 und das dritte Zeitintervall IV3 ein drittes Tastverhältnis TV3.
Das dritte PWM-Signal PWM3 weist eine dritte Grundfrequenz F3 auf, welche der ersten Grundfrequenz F1 entspricht. Im dritten PWM-Signal PWM3 kann sich das Tastverhältnis mit der Zeit ändern.
Im ersten Zeitintervall IV1 entspricht das Tastverhältnis dem ersten Tastverhältnis TV1. Im dritten Zeitintervall IV3 liegt keine AN-Zeit vor und das dritte Tastverhältnis TV3 weist den Wert Null auf. Die Dauer des dritten Zeitintervalls IV3 entspricht der AUS-Zeit T2AUS des zweiten PWM-Signals PWM2 bzw. wird durch diese festgelegt.
Während der AN-Zeit T3EIN des dritten PWM-Signals PWM3 wird die Magnetspule mit einer Spannung beaufschlagt, wohingegen während der AUS-Zeiten T3AUS1, T3AUS2 an der Magnetspule keine Spannung anliegt.
Im ersten Zeitintervall IV1 wechselt der elektromagnetische Antrieb vom ersten in den zweiten Betriebszustand und verbleibt im zweiten Betriebszustand. Somit wird bspw. ein Prozessfluidstrom (Luftstrom) bereitgestellt und das Elektromagnetventil ist im geöffneten Betriebszustand. Im dritten Zeitintervall IV3 wechselt der elektromagnetische Antrieb vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand und verbleibt im ersten Betriebszustand. Somit schließt sich das Elektromagnetventil. Die AUS-Zeit T3AUS2 des dritten PWM-Signals PWM3 ist lang genug, um zu gewährleisten, dass der elektromagnetische Antrieb von dem zweiten in den ersten Betriebszustand wechseln kann.
2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten PWM-Signal PWM1, PWM2, PWM3 in einer zweiten Ausführungsform.
Im ersten PWM-Signal PWM1 ändert sich das Tastverhältnis im Signalverlauf von einem anfänglichen ersten Tastverhältnis TV11 von beispielsweise 50 % auf ein geändertes Tastverhältnis TV12 von 20 %. Durch die Reduzierung des Tastverhältnisses im Signalverlauf wird die über der Magnetspule angelegte effektive (zeitlich gemittelte) Spannung verringert, weswegen der Strom durch die Spule absinkt. Somit kann die Verlustleistung reduziert werden. Nach einem Wechsel des Ankers von der nicht-angezogenen Position in die angezogene Position, wird das Tastverhältnis derart reduziert, dass die Leistung ausreicht, den Anker in der angezogenen Position zu halten. Dies entspricht dem zweiten Betriebszustand des elektromagnetischen Antriebs, in dem das Elektromagnetventil im geöffneten Betriebszustand ist. Um den Anker in der angezogenen Position zu halten, ist weniger Leistung notwendig als dafür, diesen von der nicht-angezogen in die angezogene Position zu bringen.
Das dritte PWM-Signal PWM3 stellt auch hier das Steuersignal dar und umfasst mit der zusätzlichen Leistungsreduzierung im Signalverlauf drei Zeitintervalle, nämlich ein erstes Zeitintervall IV1 mit einem ersten Tastverhältnis TV1, ein zweites Zeitintervall IV2 mit einem zweiten Tastverhältnis TV2 und ein drittes Zeitintervall IV3 mit einem dritten Tastverhältnis TV3.
Das Steuersignal bzw. das dritte PWM-Signal PWM3 weist eine dritte Grundfrequenz F3 auf, die der ersten Grundfrequenz F1 entspricht. Das erste, zweite und dritte Tastverhältnis des PWM-Signals PWM3 nehmen drei Werte TV1, TV2, und TV3 an. Im ersten Zeitintervall IV1 entspricht das erste Tastverhältnis TV1 des PWM-Signals PWM3 dem anfänglichen Tastverhältnis TV11 des ersten PWM-Signals PWM1 vor der Leistungsreduzierung. Die Grundfrequenz F3 und das Tastverhältnis TV1 sind hoch genug, um den Anker von der ersten Position in die zweite Position zu bringen. Somit wechselt der elektromagnetische Antrieb von dem ersten in den zweiten Betriebszustand und verbleibt im zweiten Betriebszustand. Das Elektromagnetventil wird geöffnet.
Im zweiten Zeitintervall IV2 entspricht das zweite Tastverhältnis TV2 des PWM-Signals PWM3 dem reduzierten Tastverhältnis TV12 des ersten PWM-Signals PWM1 nach der Leistungsreduzierung. Die Grundfrequenz F3 und das zweite Tastverhältnis TV2 sind hoch genug, um den Anker in der zweiten bzw. angezogenen Position zu halten. Somit verbleibt der elektromagnetische Antrieb im zweiten Betriebszustand. Das Elektromagnetventil bleibt geöffnet.
Das dritte Zeitintervall IV3 weist keine AN-Zeit auf und hat somit ein Tastverhältnis von Null. Im dritten Zeitintervall IV3 wechselt der elektromagnetische Antrieb vom zweiten in den ersten Betriebszustand zurück. Das Elektromagnetventil schließt sich. Das Tastverhältnis nimmt vom ersten zum dritten Zeitintervall hin ab (TV1 > TV2 > TV3) und ist immer kleiner Eins (TV1, TV2, TV3 < 1).
3 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer elektronischen Schaltung bzw. eines Schaltkreises 100 für einen elektromagnetischen Antrieb eines Elektromagnetventils (nicht gezeigt). Vereinfachend ist nur die Magnetspule 110 eines elektromagnetischen Antriebs eines Ventils dargestellt. Der Schaltkreis befindet sich im Stellungsregler bzw. Positioner 170. Der Stellungsregler 170 kann mit einem oder mehreren Elektromagnetventilen in einem Gehäuse untergebracht sein. Der Stellungsregler kann seitlich am elektromagnetischen Antrieb angebracht sein oder auf diesen aufgesetzt sein. Die Magnetspule 110 bewegt, abhängig vom angelegten Strom, den Anker (nicht dargestellt) zum Öffnen und Schließen des Elektromagnetventils. Die Magnetspule 110 ist mit einer Versorgungsspannungsquelle 120 gekoppelt. Zur Bestimmung der Spannung VS der Versorgungsspannungsquelle 120 ist diese über einen Spannungsteiler 131, 130 an eine elektronische Signalverarbeitungseinheit 140, bspw. ein Mikrocontroller , gekoppelt. Die Signalverarbeitungseinheit 140, auch bspw. als diskrete Schaltung oder einem Mikrocontroller wird der Istwert VS der Versorgungsspannung als Analogsignal zugeführt und bspw. in einem integrierten Analog-Digitalwandler 141 in ein digitales Signal umgewandelt. Der Signalverarbeitungseinheit oder der Mikrocontroller 140 stellt ausgehend von dem gemessenen Istwert der Spannung VS das erste PWM-Signal PWM1 an einem ersten Ausgang 142 bereit. Anhand der gemessenen Spannung VS wird von der Signalverarbeitungseinheit bzw. dem Mikrocontroller 140 das erste Tastverhältnis T V1 des ersten PWM-Signals PWM1 und/oder zweite Tastverhältnis TV2 des ersten PWM-Signals PWM1 für einen an die Magnetspule 110 anzulegenden effektiven Spannungspegel bestimmt. Die Signalverarbeitungseinheit bzw. der Mikrocontroller 140 stellt zudem das zweite PWM-Signal PWM2 an einem zweiten Ausgang 143 bereit. Das zweite PWM-Signal PWM2 bildet die Stellgröße für den elektromagnetischen Antrieb. Das zweite PWM-Signal PWM2 kann dabei basierend auf einem externen Signal bestimmt werden, das der Signalverarbeitungseinheit bzw. dem Mikrocontroller 140 von außen bereitgestellt wird.
Das erste und/oder zweite PWM-Signal PWM1, PWM2 können in einer Ausgestaltung auch durch diskrete Schaltungen bereitgestellt werden.
Die beiden Ausgänge 142,142 der Signalverarbeitungseinheit bzw. des Mikrocontrollers 140 sind mit einem ersten und zweiten Eingang 151,152 eines UND-Gatters 150 verbunden. Das UND-Gatter 150 kann beispielswiese eine integrierte Schaltung sein. Im UND-Gatter 150 werden das erste PWM-Signal PWM1 und das zweite PWM-Signal PWM2 über ein logisches UND miteinander verknüpft. Der Ausgang 153 des UND-Gatters 150 stellt ein drittes PWM-Signal PWM3 bereit. Das dritte PWM-Signal PWM3 ist das Steuersignal für den elektromagnetischen Antrieb des Ventils bzw. für die Magnetspule 110 des elektromagnetischen Antriebs. Der Ausgang 153 des UND-Gatters 150 ist mit einem Transistor 160 gekoppelt bzw. an einen Transistor 160 angeschlossen. Der Transistor 160 ist mit der Magnetspule 110 gekoppelt. Im vorliegenden Fall ist der Kanal des Transistors zwischen der Magnetspule 110 und Masse gekoppelt. Wird der Transistor eingeschaltet, kann Strom durch die Magnetspule 110 fließen und der elektrische Antrieb des Elektromagnetventils kann den Betriebszustand ändern. Im vorliegenden Beispiel ist der Transistor 160 ein NPN-Bipolartransistor, der mit dem Kollektor an die Spule und mit dem Emitter an Masse gekoppelt ist. Natürlich kommen auch andere Transistortypen in Betracht. Der Transistor 160 wird über das dritte PWM-Signal PWM3 ein- und ausgeschaltet, wodurch der Stromfluss durch die Magnetspule 110 gesteuert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Magnetspule 110 vorteilhaft mittels des Steuersignals bzw. PWM-Signals PWM3 im Hinblick auf die aktuelle Höhe der Versorgungsspannung, Leistungsreduktion und Stellung des Ventils gesteuert wird.

Claims

Schaltkreis (100) zur elektronischen Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs eines Elektromagnetventils, wobei der Schaltkreis (100) eingerichtet ist, um für den elektromagnetischen Antrieb ein Steuersignal bereitzustellen, das einen High-Pegel und einen Low-Pegel aufweist und das Steuersignal mindestens ein erstes Zeitintervall (IV1) mit einem ersten Tastverhältnis (TV1), ein optionales zweites Zeitintervall (IV2) mit einem zweiten Tastverhältnis (TV2) und ein drittes Zeitintervall (IV1) mit einem dritten Tastverhältnis (TV3) aufweist, wobei das erste, zweite und dritte Tastverhältnis (TV1, TV2, TV3) kleiner Eins sind und das erste Tastverhältnis (TV1) größer ist als das zweite Tastverhältnis (TV2) und das zweite Tastverhältnis (TV2) größer ist als das dritte Tastverhältnis (TV3) und die zeitliche Länge der Zeitintervalle und die Größe der Tastverhältnisse so ausgestaltet sind, dass der elektromagnetische Antrieb im ersten Zeitintervall (IV1) von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wechselt, optional im zweiten Zeitintervall (IV2) im zweiten Betriebszustand bleibt und im dritten Zeitintervall (IV3) vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand wechselt.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 1, wobei dieser eingerichtet ist, um das Steuersignal gemäß einer Verknüpfung, insbesondere einer logischen UND-Verknüpfung, eines ersten pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals (PWM1) und eines zweiten pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals (PWM2) bereitzustellen.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 2, wobei das erste PWM-Signal (PWM1) zur Bereitstellung des ersten Zeitintervalls (IV1) mit dem ersten Tastverhältnis (TV1) und insbesondere zur Bereitstellung des zweiten Zeitintervalls (IV2) mit dem zweiten Tastverhältnis (TV2) eingerichtet ist.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zweite PWM-Signal (PWM2) zur Bereitstellung des dritten Zeitintervalls (IV3) mit dem dritten Tastverhältnis (TV3) eingerichtet ist.
Schaltkreis (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei dieser ein UND-Gatter (150) umfasst, das eingerichtet ist, um das erste PWM-Signal (PWM1) und das zweite PWM-Signal (PWM2) gemäß einer logischen UND-Verknüpfung zu dem Steuersignal zu kombinieren.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 5, wobei dieser einen Transistor (160) umfasst, der mit den elektromagnetischen Antrieb gekoppelt ist und das Steuersignal von dem UND-Gatter (150) erhält, um den elektromagnetischen Antrieb mit dem Steuersignal zu steuern.
Schaltkreis (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei dieser eine Signalverarbeitungseinheit (140), insbesondere einen Mikrocontroller, umfasst, der eingerichtet ist, um das erste PWM-Signal (PWM1) bereitzustellen.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 7, wobei die Signalverarbeitungseinheit eine erste diskrete Schaltung und/oder eine zweite diskrete Schaltung umfasst, die eingerichtet ist, um das erste PWM-Signal (PWM1) und/oder zweite PWM-Signal (PWM2) bereitzustellen.
Schaltkreis (100) nach Anspruch 8, wobei dieser eingerichtet ist, um einen Versorgungsspannungspegel einer Versorgungsspannung (VS) für den elektromagnetischen Antrieb zu erfassen und basierend auf dem erfassten Versorgungsspannungspegel ein, mehrere oder alle Tastverhältnisse (TV1, TV2, TV3) des Steuersignals einzustellen.
Schaltkreis(100) nach Anspruch 1, wobei dieser sich in einem Stellungsregler beziehungsweise Positioner befindet.
Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Antriebs für ein Elektromagnetventil umfassend: Bereitstellen eines Steuersignals zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebs, wobei das Steuersignal ein erstes Zeitintervall (IV1), ein optionales zweites Zeitintervall (IV2) und ein drittes Zeitintervall (IV3) aufweist, die zeitlich unmittelbar aufeinander folgen, wobei das erste Zeitintervall (IV1) ein erstes Tastverhältnis (TV1), das optionale zweite Zeitintervall (IV2) ein zweites Tastverhältnis (TV2) und das dritte Zeitintervall (IV3) eine drittes Tastverhältnis (TV3) aufweist, wobei das Tastverhältnis im ersten, zweiten und dritten Zeitintervall (IV1, IV2, IV3) kleiner Eins ist, und das erste Tastverhältnis (TV1) größer ist als das zweite Tastverhältnis (TV2) und das zweite Tastverhältnis (TV2) größer ist als das dritte Tastverhältnis (TV3) und das Verfahren außerdem umfasst: Einstellen des ersten Zeitintervalls (IV1) und des ersten Tastverhältnisses (TV1) derart, dass der elektromagnetische Antrieb von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wechselt, optionales Einstellen des zweiten Zeitintervalls (IV2) und des zweiten Tastverhältnisses (TV2) derart, dass der elektromagnetische Antrieb im zweiten Betriebszustand verbleibt und Einstellen des dritten Zeitintervalls (IV3) und dritten Tastverhältnisses (TV3) derart, dass der elektromagnetische Antrieb vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand wechselt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das dritte Zeitintervall (IV3) ein Tastverhältnis von Null aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der erste Betriebszustand des elektromagnetischen Antriebs der geschlossene Betriebszustand des Elektromagnetventils ist und der zweite Betriebszustand der geöffnete Betriebszustand des Elektromagnetventils ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, umfassend: Erfassen eines Versorgungsspannungspegels des elektromagnetischen Antriebs und Einstellen des ersten Tastverhältnisses (TV1) und/oder zweiten Tastverhältnisses (TV2) basierend auf dem erfassten Versorgungsspannungspegel (VS).