DE102020103224A1 - Circuit arrangement and method for reducing the response time of an electromagnetically operated brake - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung (1) zum schnellen Energieabbau einer elektromagnetisch energetisierten Bremsenspule (10) einer Bremse, die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator angesteuert wird..The invention relates to a method and a circuit arrangement (1) for rapid energy dissipation of an electromagnetically energized brake coil (10) of a brake, which is controlled via an electromagnetically activated brake actuator.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zur Reduzierung der Ansprechzeit einer elektromagnetisch betriebenen Bremse, insbesondere einer Bremseinrichtung eines Fahr-Lenk-Systems (FLS), welches über einen bzw. mehrere Elektromotoren steuerbar ist und insbesondere eine Ansteuerung derart erfolgt, dass das Rad des Fahr-Lenk-Systems (FLS) mittels eines Überlagerungsgetriebes um eine Radachse rotiert bzw. angetrieben und um eine Lenkachse lenkbar ist.The invention relates to a circuit arrangement and a method for reducing the response time of an electromagnetically operated brake, in particular a braking device of a drive-steering system (FLS), which can be controlled via one or more electric motors and, in particular, is controlled in such a way that the wheel of the drive Steering system (FLS) rotates or is driven around a wheel axis by means of a superposition gear and can be steered around a steering axis.
Zum Bremsen eines Fahr-Lenk-Systems (FLS) wird zum Beispiel eine Bremsenspule verwendet. Das Ausschalten eines Bremsenaktuators der Bremsenspule führt dann zum Einfallen der Bremse, so dass z. B. eine Blockierung über mechanische Eingriffselemente erfolgt, die durch das Ausschalten des Bremsenaktuators in den Bremseingriff gelangen.A brake coil, for example, is used to brake a drive-steering system (FLS). Switching off a brake actuator of the brake coil then causes the brake to be applied, so that, for. B. a blocking takes place via mechanical engagement elements, which get into braking intervention by switching off the brake actuator.
Bei dem Abschaltvorgang handelt es sich jedoch um eine sicherheitsrelevante Zeitspanne. Je länger diese Zeitspanne ist, desto später wirkt die Bremse und desto weiter fährt das Fahr-Lenk-System nach einem Bremsenbefehl weiter bis es zum Stillstand kommt.The shutdown process, however, is a safety-relevant period of time. The longer this period of time, the later the brake acts and the further the drive-steering system continues after a brake command until it comes to a standstill.
Betrachtet man die gesamte Zeitspanne, die bis zum Stillstand notwendig ist, so kann man diese in drei Zeitabschnitte einteilen. Der erste Abschnitt betrifft die Zeitspanne vom Befehl (Bremssignal) bis die Versorgungsspannung der Bremsenspule auf ein bestimmtes Potential abgefallen ist. Diese Zeitspanne ist vergleichsweise kurz im Verhältnis zu der nachfolgenden wesentlich längeren Zeitspanne, nämlich dem zweiten Zeitabschnitt, der durch die Entladezeit der Spule bestimmt ist, nämlich derjenigen Zeit, die notwendig ist, die in der Spule gespeicherte Energie soweit zu entladen, dass die elektromagnetische Kopplung des Bremsenaktuators zur korrespondierenden magnetischen Halteplatte aufgehoben wird. Dieser zweite Zeitabschnitt ist im Verhältnis zum ersten Zeitabschnitt um ein Vielfaches länger und determiniert damit das Eingriffsverhalten und die Sicherheit der Bremse. Der dritte Zeitabschnitt wird bestimmt durch den mechanischen Einfallprozess der Bremse.If you consider the entire time span that is necessary until a standstill, you can divide it into three time segments. The first section concerns the time span from the command (brake signal) until the supply voltage of the brake coil has dropped to a certain potential. This period of time is comparatively short in relation to the following, much longer period of time, namely the second period of time, which is determined by the discharge time of the coil, namely the time necessary to discharge the energy stored in the coil to such an extent that the electromagnetic coupling of the brake actuator is lifted to the corresponding magnetic retaining plate. This second time segment is many times longer in relation to the first time segment and thus determines the intervention behavior and the safety of the brake. The third time segment is determined by the mechanical application process of the brake.
Um die Gesamtzeit maßgeblich zu verringern, ist es notwendig, dass dieser zweite Zeitabschnitt verkleinert wird. Da der genannte zweite Zeitabschnitt maßgeblich durch die Induktivität der Bremsenspule beeinflusst wird, wäre es für einen Fachmann auf dem besagten Gebiet zunächst naheliegend und denkbar die Induktivität entsprechend zu reduzieren, um damit die Entladezeit zu reduzieren. Eine solche Lösung ist jedoch meistens nicht möglich, da eine bestimmte elektromagnetische Anzugskraft zwischen der Halteplatte und dem Aktuator notwendig ist. Diese EMK wird aber durch die Induktivität bei kleiner werdender Induktivität negativ beeinfluss.In order to significantly reduce the total time, it is necessary that this second time segment is reduced. Since the said second time segment is significantly influenced by the inductance of the brake coil, it would initially be obvious and conceivable for a person skilled in the said field to reduce the inductance accordingly in order to reduce the discharge time. However, such a solution is usually not possible, since a certain electromagnetic attraction force is necessary between the holding plate and the actuator. However, this EMF is negatively influenced by the inductance as the inductance becomes smaller.
Insofern besteht eine Bedürfnis danach, eine verbesserte Lösung zum schnellen Bremseingriff bereit zu stellen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist und technisch sicher umsetzbar, so dass die Sicherheit eines solchen Bremssystems verbessert wird.In this respect, there is a need to provide an improved solution for rapid braking intervention which can be implemented simply and inexpensively and which can be implemented safely from a technical point of view, so that the safety of such a braking system is improved.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.These objects are achieved by the combination of features according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Schaltungsanordnung zum schnellen Energieabbau einer elektromagnetisch energetisierten Bremsenspule einer Bremse vorgeschlagen, welche über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator angesteuert wird, umfassend eine Reaktionszeitenminimierungsschaltung zum Erzeugen einer gegenüber der normalen Betriebsspannung UB des Bremsenaktuators der Bremsenspule abweichenden Entladespannung UE, die größer sein muss, als die bei dem Normalbetrieb vorliegende Spannung, die der Vorwärtsspannung der Diode bzw. Freilaufdiode entspricht. Dies bewirkt das beschleunigte Enladen der Spule und damit das Optimieren der Ansprechzeit.According to the invention, a circuit arrangement is proposed for this purpose for the rapid dissipation of energy from an electromagnetically energized brake coil of a brake, which is controlled via an electromagnetically activated brake actuator, comprising a reaction time minimization circuit for generating a discharge voltage U E which differs from the normal operating voltage U B of the brake actuator of the brake coil and which must be greater than the voltage present during normal operation, which corresponds to the forward voltage of the diode or freewheeling diode. This has the effect of accelerating the unloading of the coil and thus optimizing the response time.
Der Kerngedanke besteht darin eine parallel zur Spule geschaltete Freilaufdiode durch eine Reaktionszeitenminimierungsschaltung zu ersetzen.The main idea is to replace a freewheeling diode connected in parallel to the coil with a reaction time minimizing circuit.
Aktueller Stand der Technik ist, dass parallel zur Bremsenspule eine Freilaufdiode verwendet wird, damit sich der Strom in der Spule abbauen kann. Diese Freilaufdiode begrenzt allerdings die von der Spule gegenläufige, negative (generatorische) Spannung auf die Schwellspannung der Diode (~0,7V), welche eine schelle Entladung der Spule verhindert.The current state of the art is that a freewheeling diode is used parallel to the brake coil so that the current in the coil can dissipate. However, this freewheeling diode limits the negative (generator) voltage running in the opposite direction from the coil to the threshold voltage of the diode (~ 0.7V), which prevents the coil from discharging quickly.
Die erfindungsgemäße Schaltung sorgt jedoch konkret dafür, dass diese Spannung bestimmungsgemäß viel größer werden kann (beispielsweise 48V). Die Leistung, die der Spule in diesem Zustand entnommen wird, ist das Produkt aus Strom und Spannung. Bei erzeugter höherer Spannung ist also die Leistung und somit die Energie größer und demzufolge wird die gespeicherte Energie in der Spule in einem deutlich kürzeren Zeitraum abgebaut.However, the circuit according to the invention specifically ensures that this voltage can be much higher as intended (for example 48V). The power that is drawn from the coil in this state is the product of current and voltage. When a higher voltage is generated, the power and thus the energy is greater and consequently the energy stored in the coil is dissipated in a significantly shorter period of time.
Die erzeugte bzw. induzierte Spannung zum Entladen der Bremsenspule kann z. B. 1,5 - 2,5 x so hoch sein, wie die Betriebsspannung zum Halten der Bremse.The generated or induced voltage for discharging the brake coil can, for. B. 1.5 - 2.5 times as high as the operating voltage to hold the brake.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reaktionszeitenminimierungsschaltung eine Parallelschaltung, bestehend aus einem ersten Leitungszweig umfassend einen elektronischen Schalter und einen Vorwiderstand und einem dazu parallel geschalteten zweiten Leitungszweig umfassend zwei in Durchlassrichtung entgegengesetzt geschaltete Freilaufdioden aufweist, wobei die Bremsenspule ebenfalls in Parallelschaltung zu den Leitungszweigen angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the reaction time minimizing circuit is a parallel circuit, consisting of a first line branch comprising an electronic switch and a A series resistor and a second line branch connected in parallel to it, comprising two free-wheeling diodes connected in opposite directions in the forward direction, the brake coil also being arranged in parallel with the line branches.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der der elektronische Schalter ein MOSFET ist. Weiter vorteilhaft ist es, wenn parallel zum ersten Leitungszweig noch ein Pufferkondensator oder alternativ eine Transildiode geschaltet ist, der bewirkt, dass beim Abschalten der Betriebsspannung UB über den elektronischen Schalter bzw. den MOSFET die Spannung zunächst nicht sofort auf 0 V sinkt.It is particularly advantageous if the electronic switch is a MOSFET. It is also advantageous if a buffer capacitor or alternatively a transil diode is connected in parallel to the first branch, which ensures that the voltage does not immediately drop to 0 V when the operating voltage U B is switched off via the electronic switch or the MOSFET.
Bevorzugt ist es so, dass die elektronischen Bauelemente der Schaltungstopologie so ausgelegt sind, dass die von der Bremsenspule beim Abschalten der Versorgungsspannung des Bremsenaktuators erzeugte Spannung UIND auf einen vorbestimmten Spannungspegel betragsmäßig wesentlich höher, beispielsweise doppelt so hoch ist, wie die Versorgungsspannung. Bei der Festlegung der Spannung UIND ist man allerdings grundsätzlich frei in der Bestimmung der Höhe. Diese muss nur ausreichend sein den beschriebenen Effekt zu erzielen.It is preferred that the electronic components of the circuit topology are designed in such a way that the voltage U IND generated by the brake coil when the supply voltage of the brake actuator is switched off to a predetermined voltage level is significantly higher, for example twice as high, as the supply voltage. When determining the voltage UIND, however, you are basically free to determine the level. This only has to be sufficient to achieve the described effect.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn nach dem Abschalten der Versorgungsspannung zum Aktivieren der Bremse nach sehr kurzer Zeit kein Stromfluss durch die Bremsenspule mehr erfolgt.It is also advantageous if, after the supply voltage has been switched off to activate the brake, there is no more current flow through the brake coil after a very short time.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Reaktionszeitenminimierungsschaltung unmittelbar mit der Bremsenspule elektrisch verbunden ist.It is also advantageous if the reaction time minimizing circuit is electrically connected directly to the brake coil.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Ansprechzeit einer elektromagentisch gesteuerten Bremse mit insbesondere einer wie zuvor beschriebenen Reaktionszeitenminimierungsschaltung zum beschleunigten Energieabbau der gespeicherten Energie einer elektromagnetisch energetisierten Bremsenspule der Bremse, die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator angesteuert wird, indem eine gegenüber der Betriebsspannung abweichende, Spannung erzeugt bzw. induziert wird, die größer ist, als die bei dem Normalbetrieb vorliegende Spannung, die der Vorwärtsspannung der Diode bzw. Freilaufdiode entspricht.Another aspect of the present invention relates to a method for reducing the response time of an electromagnetically controlled brake with in particular a reaction time minimization circuit as described above for accelerated energy dissipation of the stored energy of an electromagnetically energized brake coil of the brake, which is controlled via an electromagnetically activated brake actuator by one opposite the Operating voltage deviating, voltage is generated or induced, which is greater than the voltage present in normal operation, which corresponds to the forward voltage of the diode or freewheeling diode.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahr-Lenk-System mit einer elektromagnetischen Bremse, welche mit einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung ansteuerbar verbunden ist.Another aspect of the present invention relates to a drive-steering system with an electromagnetic brake which is controllably connected to a circuit arrangement as described above.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures.
Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Prinzipblockschaltbildes; -
2 eine beispielhafte Reaktionszeitenminimierungsschaltung und -
3 zeitliche Verlaufskurven von elektrischen Größen beim Abschaltvorgang mit einer erfindungsgemäßen Schaltung.
-
1 a first embodiment of a principle block diagram; -
2 an exemplary response time minimization circuit and -
3 Time curves of electrical variables during the shutdown process with a circuit according to the invention.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die
In der
Diese zur Erzeugung einer gegenüber der normalen Betriebsspannung UB=24V des Bremsenaktuators der Bremsenspule
Diese erhöhte Spannung wird zum sicheren Lüften der Bremse benötigt beim Einschalten der BetriebsspannungNeben dem Hochsetzsteller in der
Diese Reaktionszeitenminimierungsschaltung
Darunter sind der Stromverlauf durch die Freilaufdiode D5 und weiter darunter auch der Gesamtstrom durch die Spule gezeigt, der innerhalb von etwa 12ms auf null abnimmt. Dies ist auch die Zeitspanne, innerhalb derer die Energie in der Spule vollständig abgebaut ist (was in dem Funktionsgraf darunter gezeigt ist).Below that the current course through the freewheeling diode D5 and further below also the total current through the coil are shown, which decreases to zero within about 12 ms. This is also the time span within which the energy in the coil is completely dissipated (which is shown in the function graph below).
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The implementation of the invention is not restricted to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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DE102020103224.2A DE102020103224A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Circuit arrangement and method for reducing the response time of an electromagnetically operated brake |
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DE102020103224.2A DE102020103224A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Circuit arrangement and method for reducing the response time of an electromagnetically operated brake |
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DE102020103224A1 true DE102020103224A1 (en) | 2021-08-12 |
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DE102020103224.2A Pending DE102020103224A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Circuit arrangement and method for reducing the response time of an electromagnetically operated brake |
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- 2020-02-07 DE DE102020103224.2A patent/DE102020103224A1/en active Pending
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