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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers, der innerhalb einer Spule beweglich angeordnet ist, sowie eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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Eine Spule und ein Anker können in elektromagnetischen Aktoren eingesetzt werden, bei denen der Anker bewegbar ist, indem die Spule bestromt wird. Häufig finden solche elektromagnetischen Aktoren Verwendung in Magnetventilen, beispielsweise für hydraulische Anwendungen. Dabei können solche Magnetventile als Proportionalventile verwendet werden, indem die Spule beispielsweise pulsbreitenmoduliert angesteuert wird. Dabei stellt sich aufgrund der Induktivität ein mittlerer Strom in der Spule ein. Als Gegenkraft zur Magnetkraft kann dabei eine Feder vorgesehen sein, jedoch ist beispielsweise auch eine weitere Spule denkbar.
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Die tatsächliche Position des Ankers und somit eines beispielsweise an den Anker angebundenen Steuerschiebers oder dergleichen stimmt dabei jedoch oftmals nicht mit der aufgrund der Ansteuerung theoretisch vorgegebenen Position überein. Grund hierfür können beispielsweise Verschmutzungen oder unterschiedliche Drücke in den Hydraulikleitungen, die auf den Anker zurück wirken, sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers sowie eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Ankers, der innerhalb einer Spule beweglich angeordnet ist. Der Anker kann mit einem Magnetanker eines elektromagnetischen Aktors gekoppelt oder verbunden sein, welcher wiederum Teil eines Ventils sein oder in einem solchen verwendet werden kann, um z.B. einen Schieber zu verstellen. Bevorzugt handelt es sich bei der Spule um eine Messspule ohne Betätigungsfunktion. Auch wenn nachfolgend die Erfindung vorwiegend anhand eines elektromagnetischen Aktors näher erläutert wird, so ist das zugrundeliegende Prinzip auch allgemein auf einen Anker bzw. einen Schieber oder beweglichen Kern innerhalb einer Spule anwendbar, damit insbesondere auch allgemein im Sinne eines Positionssensors.
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Hierzu wird nun eine Wechselspannung an die Spule angelegt, und die Position des Ankers wird basierend auf einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und einem Strom durch die Spule ermittelt, wobei es sich bei dem Strom insbesondere um einen durch die Wechselspannung hervorgerufenen Strom handelt.
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Grundsätzlich eilt der Strom bei einer idealen Spule bei Anlegen einer Wechselspannung dieser Wechselspannung um 90° nach, es gibt also eine definierte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Auf eine reale Spule, die auch einen ohmschen Widerstand aufweist, trifft dies hingegen nicht mehr zu. Die Phasenverschiebung, um welche der Strom der Spannung nacheilt, liegt dann zwischen 0° und 90°. Für die Phasenverschiebung Δφ gilt dabei die Gleichung:
wobei ω die Frequenz der Wechselspannung, L die Induktivität der Spule und R den ohmschen Widerstand bezeichnen. Die Induktivität der Spule wiederum hängt von der Permeabilität ab, die sich bei einer Verschiebung eines Ankers bzw. Kerns (z.B. eines Eisenkerns) innerhalb der Spule ändert. Auf diese Weise kann also von einer Phasenverschiebung auf die Position des Ankers zurückgerechnet werden. Für eine bekannte Anordnung mit Spule und Anker gibt es - für eine bestimmte Frequenz der Wechselspannung, die insofern zweckmäßigerweise auch zu berücksichtigen ist - einen bestimmten Zusammenhang zwischen der Position des Ankers und der Phasenverschiebung, der z.B. in einem Kennfeld oder dergleichen hinterlegt sein kann, nachdem er beispielsweise initial ermittelt wurde.
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Der Strom durch die Spule kann dabei bevorzugt über einem mit der Spule elektrisch in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand (einen sog. Shunt) ermittelt werden, indem ein Spannungsabfall über diesen Widerstand gemessen wird. Die Phasenverschiebung kann zweckmäßigerweise auch aus einer Phasenlaufzeitdifferenz ermittelt werden, die z.B. einer Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Verläufe von Strom und Spannung entspricht.
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Auf diese Weise kann also besonders einfach und vor allem genau eine Position eines Ankers bzw. Kerns innerhalb einer Spule, und darüber beispielsweise die Position des Magnetankers eines elektromagnetischen Aktors, ggf. der davon zurückgelegte Weg, ermittelt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers, der innerhalb einer Spule beweglich angeordnet ist. Diese Schaltungsanordnung weist Ansteuermittel auf, die dazu eingerichtet sind, eine Wechselspannung an die Spule anzulegen, außerdem Erfassungsmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und einem Strom durch die Spule zu ermitteln, und Auswertemittel, die dazu eingerichtet sind, die Position des Ankers basierend auf der Phasenverschiebung zu ermitteln. Auch kann zweckmäßigerweise ein ohmscher Widerstand vorgesehen sein, der mit der Spule elektrisch in Reihe geschaltet oder schaltbar ist, wobei die Erfassungsmittel dazu eingerichtet sind, den Strom durch die Spule über den ohmschen Widerstand zu ermitteln.
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Hinsichtlich der Vorteile sowie weiterer bevorzugter Ausgestaltungen sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dabei zum Ermitteln einer Position des Ankers eines elektromagnetischen Aktors.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch einen Zusammenhang zwischen Induktivität bzw. Phasenlage und Position bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch ein Magnetventil 100 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 100, das vorliegend als Proportionalventil ausgebildet ist, weist einen elektromagnetischen Aktor 101 auf, welcher wiederum eine Spule 102 und einen darin beweglichen Magnetanker 103 aufweist.
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Mit dem Magnetanker 103 ist ein Steuerschieber 104 verbunden, der in einem Ventilgehäuse 106 hin und her bewegt werden kann. Der Steuerschieber 104 ist mittels einer Feder 105 gegen ein Ende des Ventilgehäuses 106 abgestützt. Durch Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 101 wird der Magnetanker 103 bewegt und somit der Ventilschieber 104 gegen die Feder 105 gedrückt. Auf diese Weise lässt sich die Position des Magnetankers 103 bzw. des Ventilschiebers 104 verändern. Dazu kann die Ansteuerung der Spule 102 beispielsweise (über hier nicht gezeigte Anschlüsse) pulsbreitenmoduliert erfolgen.
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Durch die Bewegung des Ventilschiebers 104 wird ein Durchfluss durch das Ventilgehäuse 106 von einem Anschluss A zu einem Anschluss B eingestellt. Es versteht sich, dass die Anschlüsse eines solchen Ventils auch anders ausgestaltet sein können. Ebenso können mehr Anschlüsse, die von einem Ventilschieber gesteuert werden, vorhanden sein.
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Weiterhin ist ein Anker oder Stabkern 107 vorgesehen, der mit dem Magnetanker 103 gekoppelt oder auch mit diesem verbunden oder gar integral ausgebildet sein kann. Zudem ist eine Spule bzw. Messspule 108 vorgesehen, innerhalb welcher der Anker 107 beweglich ist. Die Position x des Ankers 107 lässt sich mit dem nachfolgend noch näher erläuterten Verfahren ermitteln, wodurch auch auf die Position des Ventilschiebers 104 und des Magnetankers 103 geschlossen werden kann. In diesem Sinne bilden der Anker 107 und die Spule 108 Teil eines Positionssensors.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nur beispielhaft anhand eines solchen Magnetventils erläutert wird, dass eine Ermittlung einer Position im Rahmen der Erfindung jedoch letztlich für sämtliche Anordnungen von Spule und darin beweglichem Anker funktioniert.
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In 2 ist schematisch eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind eine Spannung U sowie ein Strom I an bzw. in der Spule über der Zeit t bzw. dem Phasenwinkel φ aufgetragen.
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Wie schon erwähnt, würde bei einer idealen Spule der Strom I der Spannung U um 90° nacheilen, bei einer realen Spule hingegen hängt die Phasenverschiebung von der Frequenz der anliegenden Wechselspannung und von der Induktivität der Spule ab, wobei die Induktivität wiederum von der Position des Ankers abhängt. Im gezeigten Beispiel beträgt die Phasenverschiebung Δφ=54°.
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Die entsprechende Phasenlaufzeitdifferenz Δt ergibt sich dabei unter Berücksichtigung der Frequenz der Wechselspannung aus der Phasenverschiebung Δφ gemäß Δφ/360°=Δt/T, wobei T für die Periodendauer der Wechselspannung steht, mit ω=2πf=2π/T.
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Die Signale U' und I' entsprechen gemessenen Signalen zu der Spannung U und dem Strom I, wie dies beispielsweise mit der später noch gezeigten und erläuterten Schaltungsanordnung möglich ist. Anzumerken ist, dass auch der Strom zweckmäßigerweise als eine Spannung gemessen wird, und zwar eine Spannung, die an einem ohmschen Widerstand abfällt.
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In 3 ist schematisch ein Zusammenhang zwischen Induktivität L bzw. Phasenverschiebung Δφ und der Position x bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. In diesem Beispiel sind die Induktivität L in mH, die Phasenverschiebung Δφ in ° und die Position x in mm angegeben, und zwar für eine Frequenz der Wechselspannung von 1 kHz.
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Dabei ist deutlich zu sehen, dass sowohl die Induktivität L als auch der Phasenwinkel φ streng monoton mit der Position ansteigen. Da ein solcher Zusammenhang, insbesondere derjenige zwischen Phasenverschiebung Δφ und Position x für eine Anordnung aus Spule und Anker angegeben bzw. ermittelt werden kann, lässt sich von einer gemessenen Phasenverschiebung auf die Position zurückrechnen.
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In 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 150 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltungsanordnung 150 umfasst Ansteuermittel 151, Erfassungsmittel 152 sowie Auswertemittel 153.
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Die Ansteuermittel 151 umfassen einige nicht näher bezeichnete Komponenten wie Kapazitäten, ohmsche Widerstände und Operationsverstärker, um eine Wechselspannung U zu erzeugen und an die Spule 108 (wie sie in 1 gezeigt ist) anzulegen. Die Spule ist hierzu mit Ihrer Induktivität (die von dem Anker beeinflusst wird) und ihrem ohmschen Widerstand RL gezeigt.
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Die Erfassungsmittel 152 umfassen einen ohmschen Widerstand RM, der als Messwiderstand bzw. Shunt dient und mit der Spule 108 in Reihe geschaltet ist. Außerdem umfassen die Erfassungsmittel 152 einen ersten Komparator K1, der dazu dient, das Signal an der Spule, also die anliegende Wechselspannung, zu erfassen und zu verstärken und ein Messsignal D1 (wie in 2 angedeutet) auszugeben.
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Weiterhin umfassen die Erfassungsmittel 152 einen zweiten Komparator K2, der dazu dient, das Signal an dem ohmschen Widerstand RM, also die darüber abfallende und für den Strom repräsentative Spannung, zu erfassen und zu verstärken und ein Messsignal D2 (wie in 2 angedeutet) auszugeben.
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Die Verstärkung kann so groß gewählt werden, dass die beiden Messsignale D1 und D2 anstatt einer Sinusform eine Rechteckform haben (d.h. übersteuert sind) und somit als digital angesehen werden können. In der Folge können sie dann mittels der Auswertemittel besonders einfach verrechnet werden, um die Phasenlaufzeitdifferenz bzw. die Phasenverschiebung und damit die Position zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise ein Mikrocontroller 155 oder dergleichen dienen.
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Außerdem sind beispielhaft weitere Ansteuermittel 160 angedeutet, die dazu dienen, die Spule 108 zum Bewegen des Ankers anzusteuern, also z.B. eine pulsbreitenmodulierte Spannung an die Spule anzulegen.
