DE102018209216A1

DE102018209216A1 - Position determination for an actuator powered by a two-position controller

Info

Publication number: DE102018209216A1
Application number: DE102018209216.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwegler; Lothar Kiltz; Florian Weinl; Michael Pantke; Martin Ruider
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-12

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position (60) eines elektromagnetischen Aktuators (10) mit einem durch eine Spule (34) zwischen einer Ruheposition (64) und einer Aktivposition (66) beweglichen Anker (42) umfasst: Wählen eines Hysteresebereichs (62) mit einer oberen Stromgrenze (24b) und einer unteren Stromgrenze (24a) für einen Betriebsstrom (30) des Aktuators (10) abhängig von einem Betriebszustand (22a, 22b, 22c) des Aktuators (10); Bestromen der Spule (34) des Aktuators (10) mit einem Zweipunktregler (14), der eine Spannung des Aktuators (10) so schaltet, dass der Betriebsstrom (30) innerhalb des Hysteresebereichs (62) verbleibt; Bestimmen einer Frequenz (38) des Betriebsstroms (30); und Bestimmen der Position (60) des Aktuators (10) aus der Frequenz (38) des Betriebsstroms (30) und dem Betriebszustand (22a, 22b, 22c).

A method for determining a position (60) of an electromagnetic actuator (10) having an armature (42) movable by a coil (34) between a rest position (64) and an active position (66) comprises: selecting a hysteresis region (62) upper current limit (24b) and a lower current limit (24a) for an operating current (30) of the actuator (10) depending on an operating state (22a, 22b, 22c) of the actuator (10); Energizing the coil (34) of the actuator (10) with a two-position regulator (14) which switches a voltage of the actuator (10) so that the operating current (30) remains within the hysteresis region (62); Determining a frequency (38) of the operating current (30); and determining the position (60) of the actuator (10) from the frequency (38) of the operating current (30) and the operating state (22a, 22b, 22c).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines elektromagnetischen Aktuators sowie den elektromagnetischen Aktuator.The invention relates to a method for determining a position of an electromagnetic actuator and the electromagnetic actuator.

Elektromagnetische Aktuatoren mit einer Spule und einem Anker, der von einer Ruheposition mit einer linearen Bewegung in eine Aktivposition und zurück bewegt werden kann, werden beispielsweise in Ventilen und Sperren eingesetzt. Für diese Aktuatoren muss häufig überprüft werden, ob sie die gewünschte Stellung eingenommen haben bzw. in dieser verblieben sind. Dazu können bei diesen Aktoren zur Erfassung der Ankerposition Sensoren, wie etwa induktive Wegmesssysteme, Hall-Sensoren oder Potentiometer, eingesetzt werden.Electromagnetic actuators with a coil and an armature, which can be moved from a rest position with a linear movement to an active position and back, are used for example in valves and locks. For these actuators must often be checked whether they have taken the desired position or remain in this. These sensors can be used for detecting the armature position sensors, such as inductive displacement measuring systems, Hall sensors or potentiometers.

Die DE 10 2005 018 012 A1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator mit zwei Spulen, bei dem eine Position des Ankers aus den an den Spulen abfallenden Spannungen ermittelt wird.The DE 10 2005 018 012 A1 shows an electromagnetic actuator with two coils, in which a position of the armature is determined from the voltage drop across the coils.

Die DE 10 2007 034 768 B3 betrifft einen Hubmagneten und beschreibt ein Verfahren zur Positionsbestimmung, in dem die Position aus einer Frequenz eines Zweipunktreglers ermittelt wird.The DE 10 2007 034 768 B3 relates to a solenoid and describes a method for determining the position in which the position is determined from a frequency of a two-point controller.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektromagnetischen Aktuator und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen auf einfache und wirtschaftliche Art und Weise die Aktuatorposition bzw. die Position des Ankers bestimmt werden kann.It is an object of the invention to provide an electromagnetic actuator and a method with which the actuator position or the position of the armature can be determined in a simple and economical manner.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines elektromagnetischen Aktuators mit einem durch eine Spule zwischen einer Ruheposition und einer Aktivposition beweglichen Anker. Ein solcher Aktuator kann auch als Linearaktuator bezeichnet werden. Das Verfahren kann von einer Steuerung des Aktuators ausgeführt werden, beispielsweise einem Mikrocontroller, in dem das Verfahren als Computerprogramm implementiert ist. Der elektromagnetische Aktuator kann ein Hubmagnet sein und/oder kann in Magnetventilen, Klauen oder Parksperren eingesetzt werden.One aspect of the invention relates to a method of determining a position of an electromagnetic actuator having an armature movable by a coil between a rest position and an active position. Such an actuator may also be referred to as a linear actuator. The method may be carried out by a controller of the actuator, for example a microcontroller, in which the method is implemented as a computer program. The electromagnetic actuator may be a solenoid and / or may be used in solenoid valves, claws or parking locks.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Wählen eines Hysteresebereichs mit einer oberen Stromgrenze und einer unteren Stromgrenze für einen Betriebsstrom des Aktuators abhängig von einem Betriebszustand des Aktuators; Bestromen der Spule des Aktuators mit einem Zweipunktregler, der eine Spannung des Aktuators so schaltet, dass der Betriebsstrom innerhalb des Hysteresebereichs verbleibt; Bestimmen einer Frequenz des Betriebsstroms; und Bestimmen der Position des Aktuators aus der Frequenz des Betriebsstroms und dem Betriebszustand.According to an embodiment of the invention, the method comprises: selecting a hysteresis region having an upper current limit and a lower current limit for an operating current of the actuator depending on an operating state of the actuator; Energizing the coil of the actuator with a two-position regulator that switches a voltage of the actuator so that the operating current remains within the hysteresis range; Determining a frequency of the operating current; and determining the position of the actuator from the frequency of the operating current and the operating condition.

Mit dem Verfahren ist eine Positionsbestimmung des Aktuators bzw. dessen Ankers möglich, ohne dass zusätzliche Sensoren zur Erfassung der Ankerposition verbaut werden müssen. Die Positionsbestimmung wird abhängig von verschiedenen Betriebszuständen durchgeführt. Dies kann einerseits eine Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöhen, anderseits die Positionsbestimmung erst ermöglichen, da in unterschiedlichen Betriebszuständen die Position des Aktuators unterschiedliche Abhängigkeiten von der Frequenz aufweisen kann.With the method, a position determination of the actuator or its armature is possible without additional sensors for detecting the anchor position must be installed. The position determination is carried out depending on different operating conditions. On the one hand, this can increase the accuracy of the position determination, on the other hand, it is only possible to determine the position, since in different operating states the position of the actuator can have different dependencies on the frequency.

Der Betriebszustand des Aktuators kann insbesondere von einer gewünschten Stellung des Ankers des Aktuators, beispielsweise in der Ruheposition oder in der Aktivposition, bestimmt werden. Der Betriebszustand kann von einer Steuerung des Aktuators bestimmt werden und/oder kann der Steuerung von einer übergeordneten Steuerung mitgeteilt werden.The operating state of the actuator can in particular be determined by a desired position of the armature of the actuator, for example in the rest position or in the active position. The operating state can be determined by a controller of the actuator and / or can be communicated to the controller by a higher-level controller.

Abhängig von dem Betriebszustand können dem Zweipunktregler unterschiedliche Ober- und Untergrenzen für den Betriebsstrom vorgegeben werden. Der Zweipunktregler kann dann den der Spule zugeführten Strom derart regeln, dass er eine Spannung an der Spule abschaltet, wenn der Strom die obere Stromgrenze erreicht und dass er die Spannung anschaltet, wenn der Strom die untere Stromgrenze erreicht. Depending on the operating status, different upper and lower limits for the operating current can be specified for the two-position controller. The two-position controller may then regulate the current supplied to the coil to turn off a voltage at the coil when the current reaches the upper current limit and to turn on the voltage when the current reaches the lower current limit.

Dabei entsteht eine spezifische Frequenz für den Strom bzw. die Spannung, die von der Impedanz bzw. dem Widerstand des Aktuators abhängt. Diese Impedanz ist in der Regel abhängig von dem Betriebszustand und insbesondere der Höhe des Betriebsstroms. Weiter ist die Impedanz in der Regel abhängig von der Position des Ankers. Somit kann aus der Frequenz auf die Position des Ankers geschlossen werden, wenn die Zuordnung von Frequenzen zu Positionen eindeutig ist.This creates a specific frequency for the current or the voltage, which depends on the impedance or the resistance of the actuator. This impedance is usually dependent on the operating state and in particular the magnitude of the operating current. Furthermore, the impedance is usually dependent on the position of the armature. Thus it can be concluded from the frequency to the position of the anchor, if the assignment of frequencies to positions is unique.

Bei einem bestimmten Betriebszustand kann es sein, dass eine eindeutige Zuordnung von Frequenzen zu Positionen nur in bestimmten Frequenzbereichen möglich ist. Die Impedanzänderungen können von verschiedenen physikalischen Effekten, wie Wirbelströmen oder induktiven Effekten, abhängig sein. Daher können für verschiedene Betriebszustände verschiedene Hysteresebereiche, d.h. obere und untere Stromgrenzen, vorgegeben werden. Insbesondere die Breite des Hysteresebereichs, d.h. die Differenz zwischen oberer und unterer Stromgrenze, kann dann den Bereich der von dem Zweipunktregler erzeugten Frequenzen bestimmen.In a certain operating state, it may be that an unambiguous assignment of frequencies to positions is possible only in certain frequency ranges. The impedance changes may be dependent on various physical effects, such as eddy currents or inductive effects. Therefore, different hysteresis ranges, ie upper and lower current limits, can be specified for different operating states. In particular, the width of the hysteresis range, ie the difference between the upper and lower current limits, can then determine the range of frequencies generated by the two-position controller.

Beispielsweise kann der Mittelwert des Stroms in einem Betriebszustand vorgegeben sein. Die Breite des Hysteresebereichs kann dann mittels eines Offsetwerts nach oben und unten eingestellt werden. Weiter kann der Offsetwert so gewählt werden, dass die Frequenz in einem bestimmten Bereich erzeugt wird, in dem eine Auflösung der Frequenz in eine Position besonders gut funktioniert.For example, the mean value of the current may be predetermined in an operating state. The width of the hysteresis region can then be adjusted up and down by means of an offset value. Further, the offset value may be selected to produce the frequency in a particular range in which a resolution of the frequency to a position works particularly well.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Aktuator wenigstens zwei Betriebszustände mit unterschiedlichen Hysteresebereichen für den Betriebsstrom auf. Es ist möglich, dass sich die Hysteresebereiche überlappen oder komplett getrennt sind. Weiter ist möglich, dass die Hysteresebereiche unterschiedliche Mittelwerte und/oder unterschiedliche Breiten aufweisen.According to one embodiment of the invention, the actuator has at least two operating states with different hysteresis ranges for the operating current. It is possible that the hysteresis areas overlap or are completely separated. It is also possible that the hysteresis ranges have different mean values and / or different widths.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Hysteresebereich aus einer Tabelle zu Betriebszuständen des Aktuators gewählt. In einer Steuerung des Aktuators kann eine Tabelle gespeichert sein, aus der zu jedem Betriebszustand ein Hysteresebereich bestimmt werden kann. Beispielsweise können in der Tabelle ein Mittelwert für den Betriebsstrom und ein zugehöriger Offsetwert für die obere Stromgrenze und die untere Stromgrenze gespeichert sein. Auch können die obere Stromgrenze und die untere Stromgrenze in der Tabelle gespeichert sein.According to one embodiment of the invention, the hysteresis range is selected from a table of operating states of the actuator. In a control of the actuator, a table can be stored from which a hysteresis range can be determined for each operating state. For example, an average value for the operating current and an associated offset value for the upper current limit and the lower current limit may be stored in the table. Also, the upper current limit and the lower current limit may be stored in the table.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind je Betriebszustand wenigstens zwei Frequenzen und zugehörige Positionen in einer Tabelle gespeichert. Die Position des Aktuators bzw. des Ankers kann mit dieser Tabelle bestimmt werden. Die Frequenzen in der Tabelle können beispielsweise eine Hüllkurve definieren, aus der die Position bestimmt werden kann. Zwischen den Frequenzen aus der Tabelle kann die Position durch Interpolation bestimmt werden.According to one embodiment of the invention, at least two frequencies and associated positions per operating state are stored in a table. The position of the actuator or the armature can be determined with this table. For example, the frequencies in the table may define an envelope from which the position can be determined. Between the frequencies in the table, the position can be determined by interpolation.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in einem Betriebszustand des Aktuators ein magnetischer Kreis des Aktuators magnetisch gesättigt. In einem anderen Betriebszustand des Aktuators kann der magnetische Kreis nicht gesättigt sein. Der magnetische Kreis kann den Anker und das Joch umfassen, die aus ferromagnetischem Material hergestellt sein können. In dem magnetischen Kreis wird durch die Spule ein magnetischer Fluss gebildet, der das Material des magnetischen Kreises magnetisiert. Ist ein Punkt erreicht, bei dem die Magnetisierung trotz steigendem Fluss nicht mehr oder nur noch schwach steigt, kann von Sättigung gesprochen werden. Bei magnetischer Sättigung kann die positionsabhängige Impedanzänderung des Aktuators durch andere Effekte ausgelöst werden, wie wenn keine Sättigung eingetreten ist. Daher kann es vorteilhaft sein, diese Betriebszustände bei der Positionsbestimmung zu unterscheiden.According to one embodiment of the invention, a magnetic circuit of the actuator is magnetically saturated in an operating state of the actuator. In another operating state of the actuator, the magnetic circuit may not be saturated. The magnetic circuit may include the armature and the yoke, which may be made of ferromagnetic material. In the magnetic circuit, a magnetic flux is formed by the coil, which magnetizes the material of the magnetic circuit. If a point is reached at which the magnetization no longer increases or only weakly despite increasing flow, it can be said of saturation. With magnetic saturation, the position-dependent impedance change of the actuator can be triggered by other effects, such as when no saturation has occurred. Therefore, it may be advantageous to distinguish these operating states in the position determination.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen Betriebszustände des Aktuators einen Anziehzustand, bei dem der Betriebsstrom so gewählt ist, dass der Anker von der Ruheposition in die Aktivposition gezogen wird. Dieser Strom wird in der Regel so gewählt, dass die Kraft zwischen Joch und Anker maximal ist und/oder der magnetische Kreis magnetisch gesättigt ist.According to an embodiment of the invention, operating states of the actuator include a tightening state in which the operating current is selected so that the armature is pulled from the rest position to the active position. This current is usually chosen so that the force between the yoke and armature is maximum and / or the magnetic circuit is magnetically saturated.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen Betriebszustände des Aktuators einen Abfallzustand, bei dem der Betriebsstrom so gewählt ist, dass der Anker von der Aktivposition in die Ruheposition, beispielsweise durch die Kraft eines Federelements, zurückgezogen wird.According to an embodiment of the invention, operating states of the actuator include a drop-off state in which the operating current is selected such that the armature is withdrawn from the active position to the rest position, for example by the force of a spring element.

Elektromagnetische Aktuatoren, die als Schaltmagnete ausgeführt sind, können zwei diskrete Schaltstellungen aufweisen, d.h. die Ruhestellung und die Aktivstellung, die durch Ansteuerung mit einem Anziehstrom und einem Abfallstrom erreicht werden können. Es sind aber auch weitere Betriebszustände möglich.Electromagnetic actuators designed as solenoids may have two discrete switching positions, i. the rest position and the active position, which can be achieved by driving with a starting current and a waste stream. But there are also other operating conditions possible.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Betriebszustände des Aktuators einen Haltezustand, bei dem der Betriebsstrom so gewählt ist, dass der Anker in der Aktivposition gehalten wird. Im Haltezustand kann der Betriebsstrom kleiner als in dem Anziehzustand sein, wodurch die benötigte Leistung reduziert sein kann. Auch im Haltezustand kann der magnetische Kreis magnetisch gesättigt sein.According to one embodiment of the invention, the operating states of the actuator include a holding state in which the operating current is selected so that the armature is held in the active position. In the holding state, the operating current may be smaller than in the attraction state, whereby the required power may be reduced. Even in the holding state, the magnetic circuit can be magnetically saturated.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Betriebszustände des Aktuators einen Sensierzustand, bei dem der Betriebsstrom so klein gewählt ist, dass der Anker in der Ruheposition verbleibt. Im Sensierzustand ist der magnetische Kreis in der Regel nicht gesättigt.According to one embodiment of the invention, the operating states of the actuator include a sensing state in which the operating current is chosen so small that the armature remains in the rest position. In the sensing state, the magnetic circuit is usually not saturated.

Für jeden oder manche dieser Zustände, d.h. Anziehzustand, Abfallzustand, Haltezustand und Sensierzustand, können in einer Tabelle unterschiedliche Werte für Hysteresebereiche und/oder Frequenzen mit zugehörigen Positionen gespeichert sein.For each or some of these states, i. Tightening state, falling state, holding state and sensing state, different values for hysteresis ranges and / or frequencies with associated positions can be stored in a table.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Hysteresebereich durch eine obere Stromgrenze und eine untere Stromgrenze bestimmt. Zwischen diesen Stromgrenzen kann der durch den Zweipunktregler geregelte Strom pendeln. Die obere Stromgrenze und die untere Stromgrenze können durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Offsets zu einem Mittelwert des Betriebsstroms bestimmt werden. Beispielsweise kann zu jedem Betriebszustand ein Mittelwert für den Betriebsstrom und ein Offset gespeichert sein.According to one embodiment of the invention, a hysteresis range is determined by an upper current limit and a lower current limit. Between these current limits, the current regulated by the two-position regulator can oscillate. The upper current limit and the lower current limit may be determined by adding or subtracting an offset to an average value of the operating current. For example, for each operating state Mean value for the operating current and an offset stored.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zum Erzeugen einer Linearbewegung. Es ist zu verstehen, dass Merkmale des elektromagnetischen Aktuators auch Merkmale des Verfahrens sein können und umgekehrt. Another aspect of the invention relates to an electromagnetic actuator for generating a linear motion. It should be understood that features of the electromagnetic actuator may also be features of the method and vice versa.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der elektromagnetische Aktuator eine Spule, ein Joch, das die Spule zumindest teilweise umgibt, und einen Anker, der in dem Joch geführt ist. Das Joch kann einen Zugabschnitt aufweisen, der den Anker anzieht, wenn die Spule bestromt ist. Weiter umfasst der Aktuator einen Zweipunktregler, der basierend auf einem Hysteresebereich einen Betriebsstrom erzeugt.According to one embodiment of the invention, the electromagnetic actuator comprises a coil, a yoke which at least partially surrounds the coil, and an armature which is guided in the yoke. The yoke may have a pulling portion that attracts the armature when the coil is energized. Furthermore, the actuator comprises a two-position controller which generates an operating current based on a hysteresis range.

Der Aktuator kann ein Einspulenaktuator sein, der lediglich eine Spule aufweist. Die Spule kann von einem ringförmigen Joch umgeben sein. Der Anker kann durch die Spule führen und an einer Seite von dem Joch, beispielsweise durch eine Öffnung in dem Joch, in der Spule geführt werden. An der anderen Seite kann das Joch einen Zugabschnitt aufweisen, der ein Ende des Ankers anzieht, wenn die Spule das Joch magnetisiert. Der Zugabschnitt kann in einer Bewegungsrichtung des Ankers angeordnet sein. Der Anker kann mittels eines Federelements in Richtung der Ruheposition gezogen werden, so dass der Anker ohne Bestromen der Spule wieder in die Ruheposition zurückfällt.The actuator may be a single-coil actuator having only one coil. The coil may be surrounded by an annular yoke. The armature may pass through the coil and be guided on one side of the yoke, for example through an opening in the yoke, in the coil. On the other hand, the yoke may have a pulling portion which attracts one end of the armature when the coil magnetizes the yoke. The pulling section can be arranged in a direction of movement of the armature. The armature can be pulled by means of a spring element in the direction of the rest position, so that the armature falls back to the rest position without energizing the coil.

Der Zweipunktregler kann als analoge Schaltung ausgeführt sein. Dem Zweipunktregler kann der Hysteresebereich bzw. dessen Obergrenze und Untergrenze als Signal zugeführt werden. Mit einer Komperatorschaltung kann der Zweipunktregler einen aktuellen Betriebsstrom durch den Aktuator bzw. die Spule mit dem Hysteresebereich vergleichen und eine Spannung an dem Aktuator bzw. der Spule einschalten, falls der aktuelle Betriebsstrom kleiner als die Untergrenze ist, bzw. eine Spannung an dem Aktuator bzw. der Spule ausschalten, falls der aktuelle Betriebsstrom größer als die Obergrenze ist. Dies kann mit einem an den Komparator angeschlossenen Reset-Set-Flipflop des Zweipunktreglers geschehen.The two-position controller can be designed as an analog circuit. The two-position controller can be supplied with the hysteresis range or its upper limit and lower limit as a signal. With a comparator circuit, the two - position controller can compare a current operating current through the actuator or the coil with the hysteresis range and switch on a voltage at the actuator or the coil, if the current operating current is less than the lower limit, or a voltage at the actuator or Turn off the coil if the current operating current is greater than the upper limit. This can be done with a connected to the comparator reset set flip-flop of the two-point controller.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der elektromagnetische Aktuator eine Steuerung, die dazu ausgeführt ist, das Verfahren, so wie oben stehend und unten stehend beschrieben, durchzuführen. Die Steuerung des Aktuators kann ein Mikrocontroller sein, der die Signale für die Obergrenze und die Untergrenze des Hysteresebereichs erzeugt und dem Zweipunktregler zuführt. Das Bestimmen des aktuellen Betriebszustands, das Auslesen von entsprechenden Tabellen und das Auswerten der Frequenz des Zweipunktreglers kann als Computerprogramm in dem Mikrocontroller implementiert sein. Der aktuelle Betriebszustand kann der Steuerung von einer übergeordneten Steuerung als Signal mitgeteilt werden.According to one embodiment of the invention, the electromagnetic actuator comprises a controller designed to carry out the method as described above and described below. The control of the actuator may be a microcontroller that generates the signals for the upper limit and the lower limit of the hysteresis range and feeds the two-position controller. The determination of the current operating state, the reading of corresponding tables and the evaluation of the frequency of the two-point controller can be implemented as a computer program in the microcontroller. The current operating status can be communicated to the controller as a signal by a higher-level controller.

Die Bestimmung der Position kann dadurch optimiert werden, dass der Aktuator eine bestimmte Geometrie aufweist. Im Allgemeinen kann ausreichen, dass sich die Impedanz des Aktuators mit der Position des Aktuators bzw. des Ankers monoton ändert. Um bei bestimmten Betriebszuständen (wie etwa dem Anziehzustand, dem Abfallzustand, dem Haltezustand, dem Sensierzustand,usw.) eine möglichst gute Sensitivität der Positionsbestimmung zu erhalten, kann die Geometrie des Jochs insbesondere im Bereich des Zugabschnitts optimiert werden. Zusätzlich kann mit dieser Geometrie der für den Aktuator benötige Bauraum reduziert und eine Kraft-Hub-Charakteristik positiv beeinflusst werden.The determination of the position can be optimized by the fact that the actuator has a certain geometry. In general, it may be sufficient that the impedance of the actuator changes monotonically with the position of the actuator or the armature. In order to obtain the best possible sensitivity of the position determination in certain operating states (such as the tightening state, the fall state, the holding state, the sensing state, etc.), the geometry of the yoke can be optimized, in particular in the region of the pulling section. In addition, with this geometry, the space required for the actuator can be reduced and a force-stroke characteristic can be positively influenced.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Zugabschnitt einen Anschlag auf, an den der Anker in der Aktivposition anstößt. Dieser Anschlag kann orthogonal zu einer Bewegungsrichtung des Ankers verlaufen.According to one embodiment of the invention, the pulling portion has a stop against which the armature abuts in the active position. This stop may be orthogonal to a direction of movement of the armature.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Zugabschnitt einen Tauchabschnitt auf, in den der Anker beim Bewegen von der Ruheposition in die Aktivposition eintaucht. Der Tauchabschnitt kann sich in der Richtung verjüngen, die durch Bewegung des Ankers von der Aktivposition zu der Ruheposition definiert ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich die Impedanz nahezu linear mit der Position des Aktuators bzw. des Ankers ändert.According to one embodiment of the invention, the pulling section has a diving section into which the armature dives when moving from the rest position to the active position. The dipping section may taper in the direction defined by movement of the armature from the active position to the resting position. In this way it can be achieved that the impedance changes almost linearly with the position of the actuator or of the armature.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Anker im Bereich des Tauchabschnitts einen geringeren Durchmesser auf als in einem anderen Bereich innerhalb des Jochs. Der Anker im Bereich des Tauchabschnitts kann zylinderförmig geformt sein. Der Tauchabschnitt kann von dem Anschlag abstehen und in Richtung des Ankers weisen, wobei er eine zylinderförmige Innenfläche und/oder eine zur Bewegungsrichtung des Ankers schräge Außenfläche aufweisen kann.According to one embodiment of the invention, the armature in the region of the immersion portion has a smaller diameter than in another region within the yoke. The armature in the region of the dipping section can be cylindrically shaped. The immersion portion may protrude from the stop and point in the direction of the armature, wherein it may have a cylindrical inner surface and / or an oblique outer surface to the direction of movement of the armature.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.

1 zeigt schematisch einen elektromagnetischen Aktuator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Aktuators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt einen Querschnitt durch den elektromagnetischen Aktuator aus der 2.
4 zeigt ein Diagramm, dass die Arbeitsweise eines Zweipunktreglers erläutert.
5 zeigt ein Diagramm mit Impedanzen in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Anziehzustand.
6 zeigt ein Diagramm mit Impedanzen in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Haltezustand.
7 zeigt ein Diagramm mit Impedanzen in Abhängigkeit von der Frequenz in einem Sensierzustand.
8 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Positionsbestimmungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1 schematically shows an electromagnetic actuator according to an embodiment of the invention.
2 shows a perspective view of an electromagnetic actuator according to another embodiment of the invention.
3 shows a cross section through the electromagnetic actuator of the 2 ,
4 shows a diagram that explains the operation of a two-point controller.
5 shows a diagram with impedances as a function of the frequency in a tightening state.
6 shows a diagram with impedances as a function of the frequency in a holding state.
7 shows a diagram with impedances as a function of the frequency in a sense state.
8th shows a flowchart with a position determination method according to an embodiment of the invention.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the figures and their meaning are listed in summary form in the list of reference numerals. Basically, identical or similar parts are provided with the same reference numerals.

Die 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator 10 und insbesondere dessen Steuerungskomponenten, die eine Steuerung 12 (wie etwa einen Mikrocontroller), einen Zweipunktregler 14 und eine Schalterschaltung 16 umfassen.The 1 shows an electromagnetic actuator 10 and in particular its control components, which is a controller 12 (such as a microcontroller), a two-point controller 14 and a switch circuit 16 include.

Die Steuerung 12 empfängt von einer übergeordneten Steuerung ein Signal 18, das die Betriebszustände des Aktuators 10 steuert. In etwa kann das Signal 18 „Aktuator an“ und „Aktuator aus“ kodieren, was die Steuerung 12 dann dazu veranlasst, die mechanischen Komponenten des Aktuators 10 dann in eine Aktivposition bzw. eine Ruheposition zu verbringen.The control 12 receives a signal from a higher-level controller 18 indicating the operating states of the actuator 10 controls. In about the signal 18 "Actuator on" and "Actuator off" encode what the controller does 12 then caused the mechanical components of the actuator 10 then spend in an active position or a resting position.

Die Steuerung 12 enthält eine Tabelle 20, in der für verschiedene Betriebszustände 22a, 22b, 22c verschiedene Daten kodiert sind. Insbesondere kann die Tabelle je Betriebszustand 22a, 22b, 22c einen Betriebsstrom, dessen Ober- und Untergrenze für den Zweipunktregler 14 und/oder Informationen zum Bestimmen von Positionen von mechanischen Komponenten des Aktuators 10 aus Frequenzen des aktuellen Betriebsstroms bzw. der aktuellen Betriebsspannung enthalten.The control 12 contains a table 20 in which for different operating conditions 22a . 22b . 22c different data are encoded. In particular, the table per operating state 22a . 22b . 22c an operating current whose upper and lower limit for the two-position controller 14 and / or information for determining positions of mechanical components of the actuator 10 from frequencies of the current operating current or the current operating voltage.

Die Steuerung kann einen Betriebszustand 22a, 22b, 22c aus dem Signal 18 und/oder anderen Messungen innerhalb des Aktuators 10 bestimmen, aus dem Betriebszustand 22a, 22b, 22c einen unteren Betriebsstrom 24a und einen oberen Betriebsstrom 24b ermitteln (beispielsweise mit der Tabelle 20) und entsprechende Signale für den Zweipunktregler 14 erzeugen.The controller can operate 22a . 22b . 22c out of the signal 18 and / or other measurements within the actuator 10 determine, from the operating condition 22a . 22b . 22c a lower operating current 24a and an upper operating current 24b determine (for example, with the table 20) and corresponding signals for the two-point controller 14 produce.

Der Zweipunktregler 14 ist eine analoge Schaltung, die einen Komparator 26 und ein Flip-Flop 28 umfasst. Der Komparator 26 vergleicht einen aktuellen Betriebsstrom 30 mit den Grenzen 24a, 24b und steuert damit das Flip-Flop 28, das ein Signal 32 zum Steuern der Schalterschaltung 16 erzeugt. Die Funktion des Zweipunktreglers 14 wird in Bezug auf 4 noch einmal genauer beschrieben.The two-position controller 14 is an analog circuit that has a comparator 26 and a flip-flop 28 includes. The comparator 26 compares a current operating current 30 with the borders 24a . 24b and controls the flip-flop 28 that is a signal 32 for controlling the switch circuit 16 generated. The function of the two-point controller 14 is related to 4 again described in more detail.

Das Signal 32 kann ein pulsweitenmoduliertes Signal sein, das beispielsweise „Spannung an“ und „Spannung aus“ umfassen kann. Abhängig von dem Signal 32 verbindet die Schalterschaltung 16 eine Spule 34 mit einer Spannung bzw. trennt diese davon. Der in der Spule 34 entstehende Betriebsstrom 30 wird gemessen und wieder dem Zweipunktregler 14 zugeführt.The signal 32 may be a pulse width modulated signal, which may include, for example, "voltage on" and "voltage off". Depending on the signal 32 connects the switch circuit 16 a coil 34 with a voltage or separates them from it. The one in the coil 34 resulting operating current 30 is measured and again the two-position controller 14 fed.

Der gemessene Betriebsstrom 30 und auch eine gemessene Betriebsspannung 36 können auch der Steuerung 12 zugeführt werden, die daraus beispielsweise eine Frequenz 38 bestimmen kann. Die Frequenz 38 des Betriebsstroms bzw. der Betriebsspannung kann auch durch den Komparator 26 bzw. aus einem Signal des Komparators 26 bestimmt werden.The measured operating current 30 and also a measured operating voltage 36 can also control 12 be fed, for example, a frequency 38 can determine. The frequency 38 the operating current or the operating voltage can also be through the comparator 26 or from a signal of the comparator 26 be determined.

Die Schalterschaltung 16 kann beispielsweise eine Brückenschaltung sein oder einen oder zwei Halbleiterschalter umfassen, die in Stromrichtung jeweils oberhalb bzw. unterhalb der Spule 34 angeordnet sind.The switch circuit 16 may be, for example, a bridge circuit or comprise one or two semiconductor switches, which in the current direction respectively above or below the coil 34 are arranged.

Die 2 zeigt die mechanischen Komponenten des elektromagnetischen Aktuators 10, die die Spule 34, ein Joch 40 und einen Anker 42 umfassen. In der 3 ist ein Teilquerschnitt durch den Aktuator 10 aus der 2 gezeigt.The 2 shows the mechanical components of the electromagnetic actuator 10 that the coil 34 a yoke 40 and an anchor 42 include. In the 3 is a partial cross section through the actuator 10 from the 2 shown.

Die Spule 34 ist zylinderringförmig und ist in einem ringförmigen Abschnitt 41 des Jochs 40 aufgenommen. Der stabförmige Anker 42 ist innerhalb der Spule 34 und innerhalb des Jochs 40 entlang einer Achse beweglich aufgenommen. Der Anker 42, die Spule 34 und das Joch sind symmetrisch zu dieser Achse angeordnet.The sink 34 is cylindrical and is in an annular section 41 of the yoke 40 added. The rod-shaped anchor 42 is inside the coil 34 and inside the yoke 40 taken up movably along an axis. The anchor 42 , the sink 34 and the yoke are arranged symmetrically to this axis.

Ein Führungsabschnitt 44 des Jochs 40, der an einem Ende des Jochs 40 vorgesehen ist und den ringförmigen Abschnitt 41 deckelartig abschließt, weist eine Öffnung 46 auf, in der der Anker 42 geführt ist. Am gegenüberliegenden Ende weist das Joch einen Zugabschnitt 48 auf, der den ringförmigen Abschnitt 41 deckelartig abschließt. Der Zugabschnitt 48 weist einen Anschlag 50 auf, gegen den der Anker 42 in einer Aktivposition anstößt. In den 2 und 3 ist der Anker 42 in einer Ruheposition gezeigt.A leadership section 44 of the yoke 40 which is at one end of the yoke 40 is provided and the annular portion 41 lid-like closes, has an opening 46 on, in which the anchor 42 is guided. At the opposite end, the yoke has a pulling section 48 on top of the annular section 41 closes lid. The train section 48 has a stop 50 on, against which the anchor 42 in an active position abuts. In the 2 and 3 is the anchor 42 shown in a rest position.

Der Zugabschnitt 48 weist einen Tauchabschnitt 52 auf, der den Anschlag 50 ringförmig umgibt und der konisch geformt ist. Beim Bewegen von der Ruheposition in die Aktivposition taucht der Anker 42 in den Tauchabschnitt 52 ein. Der Tauchabschnitt 52 verjüngt sich in der Richtung, in die sich der Anker 42 von der Aktivposition zu der Ruheposition bewegt. Der Anker 42 weist im Bereich des Tauchabschnitts 52 einen geringeren Durchmesser auf als außerhalb. Der Anker 42 ist im Bereich des Tauchabschnitts 52 zylinderförmig geformt. Der Tauchabschnitt 52 weist eine zylinderförmige Innenfläche 54 und eine schräg dazu verlaufende Außenfläche 56 auf. The train section 48 has a diving section 52 on that the stop 50 annular surrounds and is conically shaped. When moving from the rest position to the active position, the anchor dives 42 in the diving section 52 on. The diving section 52 tapers in the direction in which the anchor is 42 moved from the active position to the rest position. The anchor 42 points in the area of the diving section 52 a smaller diameter than outside. The anchor 42 is in the range of the diving section 52 cylindrically shaped. The diving section 52 has a cylindrical inner surface 54 and an obliquely extending outer surface 56 on.

Die Außenfläche 56 weist in Richtung der Spule 34. Der Tauchabschnitt 52 und/oder der Teil des Zugabschnitts 48 mit dem Anschlag 50 können innerhalb der Spule 34 angeordnet sein.The outer surface 56 points in the direction of the coil 34 , The diving section 52 and / or the part of the train section 48 with the stop 50 can be inside the coil 34 be arranged.

Ein Federelement 58 hält den Anker 42 in der Ruheposition. Wenn die Spule 34 mit einem entsprechend hohen Strom bestromt wird, wird der Anker 42 durch die entstehende Magnetkraft bis zum Anschlag 50 in die Aktivposition gezogen.A spring element 58 Hold the anchor 42 in the resting position. If the coil 34 is energized with a correspondingly high current, the anchor 42 by the resulting magnetic force to the stop 50 moved into the active position.

Die 4 zeigt ein Diagramm, das in einem oberen Bereich den durch den Zweipunktregler 14 geregelten Betriebsstrom i, 30 und in einem unteren Bereich die Position x, 60 des Ankers 42 zeigt, die gegenüber der Zeit t aufgetragen sind.The 4 shows a diagram in an upper area that through the two-position controller 14 regulated operating current i, 30 and in a lower area the position x, 60 of the anchor 42 shows, which are plotted against the time t.

Dem Zweipunktregler 14 werden der untere Betriebsstrom 24a und der obere Betriebsstrom 24b als Grenzen für den Betriebsstrom 30 zugeführt. Der Komparator 26 vergleicht einen aktuellen Betriebsstrom 30 mit den Grenzen 24a, 24b und steuert damit das Flip-Flop 28. Überschreitet der aktuelle Betriebsstrom 30 den oberen Betriebsstrom 24b, wird das Reset-Set-Flip-Flop 28 in einen ersten Zustand versetzt. Unterschreitet der aktuelle Betriebsstrom 30 den unteren Betriebsstrom 24a, wird das Flip-Flop 28 in einen zweiten Zustand versetzt. Im ersten Zustand gibt das Flip-Flop 28 ein Signal 32 aus, das die Schalterschaltung 16 so schaltet, dass die Spule mit der Betriebsspannung verbunden wird. Im zweiten Zustand gibt das Flip-Flop 28 ein Signal 32 aus, das die Schalterschaltung 16 so schaltet, dass die Spule von der Betriebsspannung getrennt wird.The two-position controller 14 become the lower operating current 24a and the upper operating current 24b as limits for the operating current 30 fed. The comparator 26 compares a current operating current 30 with the borders 24a . 24b and controls the flip-flop 28 , Exceeds the current operating current 30 the upper operating current 24b , the reset set will flip-flop 28 put into a first state. Below the current operating current 30 the lower operating current 24a , will the flip-flop 28 placed in a second state. In the first state is the flip-flop 28 a signal 32 off, that's the switch circuit 16 switches so that the coil is connected to the operating voltage. In the second state is the flip-flop 28 a signal 32 off, that's the switch circuit 16 switches so that the coil is disconnected from the operating voltage.

Der Betriebsstrom 30 pendelt auf diese Weise in einem Hysteresebereich 62 um einen Mittelwert 61 hin und her, der durch die Grenzen 24a, 24b bestimmt ist. Die Frequenz 38 ist abhängig von der Periode 63 des Betriebsstroms 30, die von der Dauer des Ansteigens und des Abfallen des Betriebsstroms 30 in der Spule 34 abhängig ist. Der Betriebsstrom 30 ist wiederum von der Impedanz der Spule 34 abhängig. Da die Impedanz der Spule 34 auch von dem magnetischen Kreis aus Joch 40 und Anker 42 abhängig ist, in dem sie eingebunden ist, ist die Frequenz 38 von der Stellung bzw. Position 60 des Ankers 42 relativ zum Joch 40 abhängig.The operating current 30 commutes in this way in a hysteresis area 62 around an average 61 back and forth, through the borders 24a . 24b is determined. The frequency 38 depends on the period 63 of the operating current 30 depending on the duration of the rise and fall of the operating current 30 in the coil 34 is dependent. The operating current 30 is in turn of the impedance of the coil 34 dependent. Because the impedance of the coil 34 also from the magnetic circle yoke 40 and anchor 42 dependent, in which it is involved, is the frequency 38 from the position or position 60 of the anchor 42 relative to the yoke 40 dependent.

Dies ist mit dem unteren Diagramm gezeigt. Befindet sich der Anker 42 in der Ruheposition 64, ist die Impedanz beispielsweise kleiner als in der Aktivposition 66 und die Frequenz ist somit größer.This is shown with the lower diagram. Is the anchor 42 in the resting position 64 For example, the impedance is smaller than in the active position 66 and the frequency is thus greater.

Die 5 bis 7 zeigen Diagramme mit Impedanzen I (in Ohm) des Aktuators 10 aus den 2 und 3 in Abhängigkeit von der Frequenz f (in Hz). Gezeigt werden Kurven für die Impedanz bei verschiedenen Positionen bzw. Hübe des Ankers 42, insbesondere bei 0 mm, 0,75 mm, 1,5 mm, 2,25 mm und 3 mm.The 5 to 7 show diagrams with impedances I (in ohms) of the actuator 10 from the 2 and 3 depending on the frequency f (in Hz). Shown are curves for the impedance at different positions or strokes of the armature 42 , in particular at 0 mm, 0.75 mm, 1.5 mm, 2.25 mm and 3 mm.

Die 5 zeigt Impedanzverläufe bei einem Anziehstrom von 1,5 A, der im Anziehzustand 22a verwendet wird, in dem der Anker 42 aus der Ruheposition in die Aktivposition gezogen wird. Es ist zu erkennen, dass es in einem möglichen Arbeitsbereich 68, der größer als eine Minimalfrequenz 70 ist, möglich ist, die Aktuatorposition 60 anhand der Frequenz 38 zu unterscheiden. Ein gute Auflösung kann für Frequenzen größer als 10³ Hz und kleiner als 10⁵ Hz erreicht werden.The 5 shows impedance curves at a starting current of 1.5 A, in the tightening state 22a is used in which the anchor 42 is pulled from the rest position to the active position. It can be seen that it is in a possible workspace 68 that is greater than a minimum frequency 70 is possible, the actuator position 60 by frequency 38 to distinguish. A good resolution can be achieved for frequencies greater than 10 ³ Hz and less than 10 ⁵ Hz.

Wählt die Steuerung 12 die Grenzen 24a, 24b derart aus, dass der Anziehstrom 30 den gewünschten Mittelwert 61 (hier 1,5 A) aufweist und dass Frequenzen in dem Bereich 68 erzeugt werden, kann die Steuerung aus der Frequenz 38 die Aktuatorposition 60 bestimmen.Selects the controller 12 the limits 24a . 24b such that the attraction current 30 the desired mean value 61 (here 1.5 A) and that frequencies in the range 68 can be generated, the control of the frequency 38 the actuator position 60 determine.

Mit der Aktorgeometrie, wie sie beispielsweise in den 2 und 3 gezeigt ist, können die Impedanzverläufe optimiert werden. Die Geometrie ist derart ausgeführt, dass sich zumindest Teilbereiche des magnetischen Kreises in Sättigung (dB/dH ~ 1) befinden. Dies kann beispielsweise durch einen ausreichend kleinen oder verjüngten Querschnitt des Jochs 40 erreicht werden. In den 2und 3 befinden sich diese Teilbereiche vor allem im Tauchabschnitt 52.With the actuator geometry, as for example in the 2 and 3 is shown, the impedance characteristics can be optimized. The geometry is designed in such a way that at least partial regions of the magnetic circuit are in saturation (dB / dH -1). This can be achieved, for example, by a sufficiently small or tapered cross-section of the yoke 40 be achieved. In the 2 and 3 These subregions are located mainly in the diving section 52 ,

Bei Sättigung des magnetischen Kreises werden als physikalischer Messeffekt im Wesentlichen Wirbelstromeffekte genutzt. Betrachtet man den Frequenzgang der Impedanz bei verschiedenen Positionen, so sieht man ab einer ausreichend hohen Arbeitsfrequenz eine streng monotone Zunahme der Impedanz.When the magnetic circuit is saturated, essentially eddy-current effects are used as the physical measuring effect. Looking at the frequency response of the impedance at different positions, so you see a strictly monotonous increase in impedance from a sufficiently high operating frequency.

Die 6 zeigt Impedanzverläufe bei einem Haltestrom von 1 A, der in einem Haltezustand 22b verwendet wird, in dem der Anker 42 in der Aktivposition 66 gehalten werden soll. Der Haltestrom ist größer als ein Abfallstrom und befindet sich zwischen dem Anziehstrom und einem Sensierstrom. Wie der Anziehstrom kann der Haltestrom so gewählt werden, dass ein ausreichend hoher induktiver oder Wirbelstromeffekt vorliegt, um eine ausreichende Sensitivität zu erhalten.The 6 shows impedance curves at a holding current of 1 A, in a holding state 22b is used in which the anchor 42 in the active position 66 should be kept. The holding current is greater than a waste stream and is located between the attraction current and a sense current. Like the attraction current, the holding current can be selected to provide a sufficiently high inductive or eddy current effect to provide sufficient sensitivity.

Es ist zu erkennen, dass es in einem möglichen Arbeitsbereich 68, der größer als eine Minimalfrequenz 70 und kleiner als eine Maximalfrequenz 72 ist, möglich ist, die Aktuatorposition 60 anhand der Frequenz 38 zu unterscheiden. Eine gute Auflösung kann für Frequenzen größer als 10³ Hz und kleiner als 10⁴ Hz erreicht werden. It can be seen that it is in a possible workspace 68 that is greater than a minimum frequency 70 and smaller than a maximum frequency 72 is possible, the actuator position 60 by frequency 38 to distinguish. A good resolution can be achieved for frequencies greater than 10 ³ Hz and less than 10 ⁴ Hz.

Wählt die Steuerung 12 die Grenzen 24a, 24b derart aus, dass der Anziehstrom 30 den gewünschten Mittelwert 61 (hier 1 A) aufweist und dass Frequenzen in dem Bereich 68 erzeugt werden, kann die Steuerung auch im Haltezustand aus der Frequenz 38 die Aktuatorposition 60 bestimmen.Selects the controller 12 the limits 24a . 24b such that the attraction current 30 the desired mean value 61 (here 1 A) and that frequencies in the range 68 can be generated, the controller can also in the hold state of the frequency 38 the actuator position 60 determine.

Die 7 zeigt Impedanzverläufe bei einem Sensierstrom von nahezu 0 A, der in einem Sensierzustand 22c verwendet wird, in dem der Anker 42 sich in der Ruheposition 64 befindet. Der Sensierstrom kann möglichst klein gewählt werden, beispielsweise wenige % des Anziehstroms oder des Haltestroms. Ein möglicher Arbeitsbereich 68 ist kleiner als eine Maximalfrequenz 72. Eine gute Auflösung kann für Frequenzen größer als 150 Hz und kleiner als 10³ Hz erzielt werden.The 7 shows impedance curves at a sense current of almost 0 A, in a sense state 22c is used in which the anchor 42 in the resting position 64 located. The Sensierstrom can be chosen as small as possible, for example, a few% of the attraction or the holding current. A possible workspace 68 is less than a maximum frequency 72 , A good resolution can be achieved for frequencies greater than 150 Hz and less than 10 ³ Hz.

Der magnetische Kreis kann sich außerhalb der Sättigung (dB/dH >> 1) befinden. Als physikalischer Messeffekt werden hierbei im Wesentlichen induktive Effekte genutzt. Betrachtet man den Frequenzgang der Impedanz über verschiedene Hübe, so sieht man ab einer ausreichend geringen Arbeitsfrequenz eine streng monotone Abnahme der Impedanz. Der Effekt kann also gegenläufig zu dem Wirbelstromeffekt bei Anziehstrom und/oder Haltestrom sein. Durch die konusförmige Gestaltung der Tauchstufe kann der induktive Messeffekt verstärkt werden.The magnetic circuit may be out of saturation (dB / dH >> 1). Inductive effects are mainly used as a physical measuring effect. Looking at the frequency response of the impedance over different strokes, one sees a strictly monotonous decrease of the impedance from a sufficiently low operating frequency. The effect can therefore be opposite to the eddy current effect at attraction current and / or holding current. Due to the cone-shaped design of the immersion stage, the inductive measuring effect can be enhanced.

Wieder ist es möglich, dass die Steuerung 12 die Grenzen 24a, 24b für den Betriebsstrom 30 derart auswählt, dass der Sensierstrom den gewünschten Mittelwert aufweist und dass Frequenzen in dem Bereich 68 erzeugt werden. Auch im Sensierzustand kann die Steuerung 12 aus der Frequenz 38 die Aktuatorposition 60 bestimmen.Again, it is possible that the controller 12 the limits 24a . 24b for the operating current 30 such that the sense current has the desired average and that frequencies in the range 68 be generated. Even in the sensing state, the controller 12 from the frequency 38 the actuator position 60 determine.

Auch die Windungszahl der Spule 34 kann Einfluss auf die physikalischen Messeffekte haben. Die Windungszahl sollte bei Fokus auf den induktiven Effekt möglichst groß und bei Fokus auf den Wirbelstromeffekt möglichst klein gewählt werden. Falls beide Effekte verwendet werden, kann ein passender Kompromiss bestimmt werden.Also the number of turns of the coil 34 can influence the physical measurement effects. The number of turns should be as large as possible with focus on the inductive effect and as small as possible with focus on the eddy current effect. If both effects are used, a suitable compromise can be determined.

Es ist zu erwähnen, dass auch weitere Betriebszustände vorhanden sein können, wie etwa ein Abfallzustand, in dem ein Abfallstrom so gewählt wird, dass der Anker 42 sich von der Aktivposition in die Ruheposition bewegt. Auch in diesen Betriebszuständen kann eine Positionsbestimmung erfolgen.It should be noted that other operating states may also be present, such as a waste state in which a waste stream is chosen such that the anchor 42 moves from the active position to the rest position. Also in these operating conditions, a position determination can take place.

8 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Positionsbestimmungsverfahren, das von dem Aktuator und insbesondere seiner Steuerung ausgeführt werden kann. 8th shows a flowchart with a positioning method that can be performed by the actuator and in particular its control.

Im Schritt S10 erhalt die Steuerung 12 ein Signal 18 (siehe 1), den Aktuator in eine andere Position 60 zu bewegen. Abhängig von dem Signal 18 bestimmt die Steuerung einen neuen Betriebszustand 22a, 22b, 22c. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung den neuen Betriebszustand 22a, 22b, 22c aus internen Messungen des Aktuators bestimmen, beispielsweise den Haltezustand 22b, wenn die Aktivposition erreicht ist.In step S10 receives the control 12 a signal 18 (please refer 1 ), the actuator in a different position 60 to move. Depending on the signal 18 the controller determines a new operating state 22a . 22b . 22c , Alternatively or additionally, the controller can change the new operating state 22a . 22b . 22c from internal measurements of the actuator determine, for example, the holding state 22b when the active position is reached.

Die Betriebszustände des Aktuators 10 können den oben beschriebenen Anziehzustand 22a, den oben beschriebenen Haltezustand 22b und den oben beschriebenen Sensierzustand 22c umfassen.The operating states of the actuator 10 can be the tightening condition described above 22a , the hold state described above 22b and the sensing state described above 22c include.

Im Schritt S12 wählt die Steuerung einen Hysteresebereich 62 mit einer oberen Stromgrenze 24b und einer unteren Stromgrenze 24a für den Betriebsstrom 30 der Spule 34 abhängig von dem Betriebszustand 22a, 22b, 22c.In step S12 the controller selects a hysteresis range 62 with an upper current limit 24b and a lower current limit 24a for the operating current 30 the coil 34 depending on the operating condition 22a . 22b . 22c ,

Der Hysteresebereich 62 kann aus der Tabelle 20 gewählt werden, in der beispielsweise der Mittelwert 61 für den Anziehstrom, den Haltestrom und den Sensierstrom gespeichert sind. Zu jedem Mittelwert 61 können Offsets gespeichert sein und die obere Stromgrenze 24b und die untere Stromgrenze 24a können durch Addieren bzw. Subtrahieren eines Offsets zu dem Mittelwert 61 bestimmt werden. Es ist auch möglich, dass die obere Stromgrenze 24b und die untere Stromgrenze 24a direkt in der Tabelle 20 gespeichert sind.The hysteresis area 62 can be selected from Table 20, in which, for example, the mean 61 are stored for the attraction current, the holding current and the sense current. To every mean 61 Offsets can be stored and the upper current limit 24b and the lower current limit 24a can be added by adding or subtracting an offset to the mean 61 be determined. It is also possible that the upper current limit 24b and the lower current limit 24a are stored directly in the table 20.

Insbesondere können die Hysteresebereiche 62 für alle Betriebszustände 22a, 22b, 22c unterschiedlich sein und/oder so angepasst sein, dass eine Bestimmung der Position 60 aus den erzeugten Frequenzen möglich ist.In particular, the hysteresis ranges 62 for all operating conditions 22a . 22b . 22c be different and / or be adapted to a determination of position 60 from the generated frequencies is possible.

Die obere Stromgrenze 24b und die untere Stromgrenze 24a werden dem Zweipunktregler 14, beispielsweise mittels Analogsignalen, mitgeteilt.The upper current limit 24b and the lower current limit 24a become the two-position controller 14 , for example by means of analog signals communicated.

Im Schritt S14 wird die Spule 34 mithilfe des Zweipunktreglers 14 derart bestromt, dass eine Spannung des Aktuators 10 so durch die Schaltung 16 geschaltet wird, dass der Betriebsstrom 30 innerhalb des Hysteresebereichs 62 verbleibt, so wie es oben beschrieben ist.In step S14 becomes the coil 34 using the two-point controller 14 energized such that a voltage of the actuator 10 so through the circuit 16 is switched that the operating current 30 within the hysteresis range 62 remains as described above.

Im Schritt S16 bestimmt die Steuerung 12 eine Frequenz 38 des Betriebsstroms 30. Dies kann beispielsweise mittels eines Signals aus dem Zweipunktregler 14 geschehen und/oder mittels einer Messung der Betriebsspannung 36.In step S16 determines the control 12 a frequency 38 of the operating current 30 , This can be done, for example, by means of a signal from the two-position controller 14 done and / or by means of a measurement of the operating voltage 36 ,

Aus der Frequenz bestimmt die Steuerung 12 die Position 60 des Aktuators 10 aus der Frequenz 38 des aktuellen Betriebsstroms 30 und dem aktuellen Betriebszustand 22a, 22b, 22c. The controller determines the frequency from the frequency 12 the position 60 of the actuator 10 from the frequency 38 the current operating current 30 and the current operating state 22a . 22b . 22c ,

Beispielsweise könnte die Abhängigkeit der Position 60 von der Frequenz 38 als Formel für den jeweiligen Betriebszustand 22a, 22b, 22c in der Steuerung 12 hinterlegt sein. Die Steuerung könnte diese Formel auswerten, um die Position 60 zu bestimmen.For example, the dependence of position could be 60 from the frequency 38 as formula for the respective operating state 22a . 22b . 22c in the controller 12 be deposited. The controller could evaluate this formula to the position 60 to determine.

Es kann aber auch sein, dass je Betriebszustand 22a, 22b, 22c eine Mehrzahl von Frequenzen und zugehörigen Positionen in der Tabelle 20 gespeichert sind. Diese Werte (Frequenzen und Positionen) können je Betriebszustand 22a, 22b, 22c durch Experiment ermittelt werden. Durch Interpolieren zwischen diesen Werten kann die Steuerung 12 die Position 60 des Aktuators 10 aus der Tabelle 20 bestimmen.But it can also be that depending on the operating state 22a . 22b . 22c a plurality of frequencies and associated positions are stored in the table 20. These values (frequencies and positions) can vary depending on the operating state 22a . 22b . 22c be determined by experiment. By interpolating between these values, the controller can 12 the position 60 of the actuator 10 from Table 20.

Die ermittelte Position 60 kann zum Bestimmen eines neuen Betriebszustands verwendet werden und/oder kann zum Überprüfen verwendet werden, ob der Aktuator korrekt funktioniert. Beispielsweise kann eine Fehlermeldung von der Steuerung 12 ausgewählt werden, wenn die Position 60 des Aktuators 10 von einer gewünschten Position abweicht.The determined position 60 may be used to determine a new operating state and / or may be used to verify that the actuator is functioning properly. For example, an error message from the controller 12 be selected when the position 60 of the actuator 10 deviates from a desired position.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "encompassing" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a multitude. It should also be appreciated that features or steps described with reference to any of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limiting.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: elektromagnetischer Aktuatorelectromagnetic actuator
1212: Steuerungcontrol
1414: ZweipunktreglerTwo-point controller
1616: Schalterschaltungswitch circuit
1818: Steuersignalcontrol signal
2020: Tabelletable
22a22a: Betriebszustand (Anziehzustand)Operating condition (tightening condition)
22b22b: Betriebszustand (Haltezustand)Operating state (holding state)
22b22b: Betriebszustand (Sensierzustand)Operating state (sensing state)
24a24a: unterer Betriebsstromlower operating current
24b24b: oberer Betriebsstromupper operating current
2626: Komparatorcomparator
2828: Flip-FlopFlip-flop
3030: Betriebsstromoperating current
3232: Schaltersignalswitch signal
3434: SpuleKitchen sink
3636: Betriebsspannungoperating voltage
3838: Frequenzfrequency
4040: Jochyoke
4141: ringförmiger Abschnittannular section
4242: Ankeranchor
4444: Führungsabschnittguide section
4646: Öffnungopening
4848: Zugabschnitttension section
5050: Anschlagattack
5252: Tauchabschnittdiving section
5454: Innenflächepalm
5656: Außenflächeouter surface
5858: Federelementspring element
6060: Aktuatorpositionactuator
6161: StrommittelwertAverage current
6262: Hysteresebereichhysteresis
6363: Periodeperiod
6464: Ruhepositionrest position
6666: Aktivpositionactive position
6868: ArbeitsbereichWorkspace
7070: Minimalfrequenzminimum frequency
7272: Maximalfrequenzmaximum frequency

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005018012 A1 [0003]
DE 102007034768 B3 [0004]

Claims

A method of determining a position (60) of an electromagnetic actuator (10) having an armature (42) movable by a coil (34) between a rest position (64) and an active position (66), the method comprising: Selecting a hysteresis region (62) having an upper current limit (24b) and a lower current limit (24a) for an operating current (30) of the actuator (10) depending on an operating state (22a, 22b, 22c) of the actuator (10); Energizing the coil (34) of the actuator (10) with a two-position regulator (14) which switches a voltage of the actuator (10) so that the operating current (30) remains within the hysteresis region (62); Determining a frequency (38) of the operating current (30); Determining the position (60) of the actuator (10) from the frequency (38) of the operating current (30) and the operating state (22a, 22b, 22c).

Method according to Claim 1 wherein the actuator (10) has at least two operating states (22a, 22b, 22c) with different hysteresis ranges (62) for the operating current (30).

Method according to Claim 1 or 2 wherein the hysteresis region (62) is selected from a table (20) to operating states (22a, 22b, 22c) of the actuator (10).

Method according to one of the preceding claims, wherein each operating state (22a, 22b, 22c) at least two frequencies and associated positions in a table (20) are stored and the position of the actuator (10) is determined with this table (20).

Method according to one of the preceding claims, wherein in one operating state (22a, 22b) of the actuator (10) a magnetic circuit of the actuator (10) is magnetically saturated and in another operating state (22c) of the actuator (10) of the magnetic circuit is not saturated is.

Method according to one of the preceding claims, wherein operating states of the actuator (10) include a tightening state (22a), wherein the operating current (30) is selected so that the armature (42) from the rest position (64) to the active position (66). is drawn; and / or wherein operating states of the actuator (10) include a holding state (22b), wherein the operating current (30) is selected such that the armature (42) is held in the active position (66), wherein in the holding state (22b) the operating current is less than in the tightening state (22a); and / or wherein operating states of the actuator include a sensing state (22c), wherein the operating current (30) is chosen so small that the armature (42) remains in the rest position (64).

A method according to any one of the preceding claims, wherein a hysteresis region (62) is defined by an upper current limit (24b) and a lower current limit (24a); and / or wherein the upper current limit (24b) and the lower current limit (24a) are determined by adding or subtracting an offset to an average value (61) of the operating current (30).

An electromagnetic actuator (10) for generating a linear motion, comprising: a coil (34); a yoke (40) at least partially surrounding the coil (34); an armature (42) guided in the yoke (40), the yoke (40) having a pulling portion (48) which attracts the armature (42) when the coil (34) is energized; a two-position controller (14) for generating an operating current (30) based on a hysteresis region (62); a controller (12) adapted to carry out the method according to one of the preceding claims.

Electromagnetic actuator (10) according to Claim 8 wherein the pulling portion (48) has a stop (50) against which the armature (42) abuts in the active position (66); and / or wherein the pulling portion (48) has a dipping portion (52) into which the armature (42) dips when moving from the rest position (64) to the active position (66); wherein the dipping section (52) tapers in the direction from the active position (66) to the rest position (64).

Electromagnetic actuator (10) according to Claim 9 wherein the armature (42) has a smaller diameter in the region of the immersion section (52) than in another region within the yoke (40); and / or wherein the armature (42) is cylindrically shaped in the region of the immersion section (52).