DE102021205142A1

DE102021205142A1 - Magnetventilsystem und Verfahren zum Betreiben eines Magnetventilsystems

Info

Publication number: DE102021205142A1
Application number: DE102021205142.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Watzer; Jens Engelhardt
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-24
Also published as: US20220373097A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetventilsystem (1) mit einem Magnetventil (2) und mit einer Steuereinrichtung (3), wobei das Magnetventil (2) ein Ventilgehäuse (17) aufweist, das von einem Fluidkanal (23, 25) durchsetzt ist, in dem ein Ventilglied (14) zum zeitweiligen Abdichten eines im Fluidkanal (23, 25) ausgebildeten Ventilsitzes (24) beweglich aufgenommen ist, sowie mit einem Magnetantrieb (4), der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule (5) und einem linearbeweglichen Anker (7) umfasst, der mit dem Ventilglied (14) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (3) für eine Bereitstellung eines Spulenstroms an die Magnetspule (5) ausgebildet ist und mit einer Sensoreinrichtung (40) verbunden ist, die zur Bereitstellung eines von einer Bewegung des Anker (7) abhängigen Sensorsignals ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (3) für eine Auswertung des Sensorsignals zur Ermittlung der Bewegung des Ankers (7) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung (3) für eine Regelung des bereitgestellten Spulenstroms (11, 12) bei Vorliegen der Ankerbewegung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetventilsystem mit einem Magnetventil und mit einer Steuereinrichtung, wobei das Magnetventil ein Ventilgehäuse aufweist, das von einem Fluidkanal durchsetzt ist, in dem ein Ventilglied zum zeitweiligen Abdichten eines im Fluidkanal ausgebildeten Ventilsitzes beweglich aufgenommen ist, sowie mit einem Magnetantrieb, der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule und einem zwischen einer ersten Funktionsstellung und einer zweiten Funktionsstellung linearbeweglichen Anker umfasst, der mit dem Ventilglied gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung für eine Bereitstellung eines Spulenstroms an die Magnetspule ausgebildet ist und mit einer Sensoreinrichtung verbunden ist, die zur Bereitstellung eines von einer Bewegung des Anker abhängigen Sensorsignals ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung für eine Auswertung des Sensorsignals zur Ermittlung der Bewegung des Ankers ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventilsystems.
Aus der DE 10 2014 117 818 B4 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils bekannt, die nach dem Einschalten, getriggert durch ein Zeitglied, über einen Halbleiterschalter für die kurze Dauer der Anzugsphase des Magnetventils eine Magnetspule direkt mit einer Versorgung verbindet und nach einem definierten Zeitintervall in eine Haltephase mit reduziertem Haltestrom übergeht, wobei der Haltestrom des Magnetventils mittels einer Regeleinrichtung, bestehend aus einer Referenzspannungsquelle, einem Transistor und einem Widerstand, auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
Die DE 10 2015 101 778 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur getakteten Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktors, die nach dem Einschalten, getriggert durch ein Zeitglied, über einen Halbleiterschalter eines ersten Schaltungsteils für die kurze Dauer der Anzugsphase des Magnetventils eine Magnetspule direkt mit einer Versorgung verbindet, wobei nach einem definierten Zeitintervall ein zweiter Schaltungsteil aktiviert wird, der im Wesentlichen aus einem integrierten Schaltkreis besteht, der alle technischen Mittel zu einer taktenden Ansteuerung beinhaltet und die Magnetspule über einen zweiten Halbleiterschalter in der Weise ansteuert, dass sich ein reduzierter getakteter Haltestrom auf einem exakt vorgegebenen Level einstellt.
Aus der WO 2016/012292 A1 ist Verfahren zur Regelung eines elektrischen Ventils bekannt, wobei das Ventil ein Schaltmittel und ein Leitmittel aufweist, wobei das Schaltmittel mit einem Stellelement zusammenwirkt und bei dem folgenden Schritte vorgesehen sind: Ansteuerung des Stellelements mittels eines Ansteuersignals, Ermittlung der Stromaufnahme des Stellelements mittels eines Strommessmittels und Änderung der Spannung und/oder des Stroms des Ansteuersignals bei der Ermittlung einer Verminderung der Stromaufnahme des Stellelements.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Magnetventilsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventilsystems mit verringertem Energieverbrauch zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird für ein Magnetventilsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuereinrichtung für eine Regelung des bereitgestellten Spulenstroms bei Vorliegen der Ankerbewegung ausgebildet ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Spannungsregelung für die Magnetspule eines Magnetventilsystems vorzunehmen. Bei einer Spannungsregelung ist der Spulenstrom, der die Magnetspule durchströmt, sowohl von der an die Magnetspule angelegten elektrischen Spannung als auch von Induktionseffekten, wie sie zum einen bei einer Änderung des Spulenstroms und zum anderen bei einer Bewegung des Ankers innerhalb der Magnetspule auftreten können, abhängig. Demgegenüber ist bei einer Stromregelung vorgesehen, den Spulenstrom in der Magnetspule unter Berücksichtigung sämtlicher Effekte, die zu einer Reduzierung oder Erhöhung des Spulenstroms in der Magnetspule beitragen, auf einem vorgegebenen Wert zu halten bzw. auf diesen vorgegebenen Wert zu bringen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass der magnetische Fluss, der von der Magnetspule bereitgestellt wird und der die auf den Anker wirkenden Magnetkräfte bestimmt, besonders präzise vorgegeben werden kann. Dementsprechend ist auch eine exakte Positionierung des Ankers längs eines zwischen der ersten Funktionsstellung und der zweiten Funktionsstellung erstreckten, insbesondere geradlinigen, Bewegungswegs möglich. Damit kann auf Basis der Stromregelung für den Spulenstrom der Magnetspule ein präzises Öffnen und Verschließen des Ventilsitzes des Magnetventils mit Hilfe des Ventilglieds und des zugeordneten Ankers vorgenommen werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Spulenstrom derart geregelt wird, dass der Anker und das damit verbundene Ventilglied eine Relativbewegung gegenüber der Magnetspule durchführen, wobei zu jedem Betrag des Spulenstroms eine vorgebbare Positionierung für den Anker und das damit verbundene Ventilglied bewirkt werden kann.
Hierbei ist zu beachten, dass das Ventilglied nicht zwangsläufig starr mit dem Anker verbunden sein muss, sondern auch eine elastische Kopplung zwischen dem Anker und dem Ventilglied vorgesehen sein kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn die Steuereinrichtung für eine gesteuerte oder geregelte Bereitstellung eines ersten Spulenstroms ausgebildet ist, um eine Einleitung einer Bewegung auf den Anker zu bewirken, und dass die Steuereinrichtung für eine geregelte Bereitstellung eines zweiten Spulenstroms nach der Ermittlung der Bewegung des Ankers ausgebildet ist, wobei der zweite Spulenstrom kleiner als ein Maximalbetrag des ersten Spulenstroms ist. Für eine rasche und zuverlässige Überführung des Ankers und des damit verbundenen Ventilglieds aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zunächst einen ersten Spulenstrom bereitstellt. Der erste Spulenstrom kann derart gewählt sein, dass ein Maximalbetrag möglichst nahe an der Belastungsgrenze für die Magnetspule liegt, um hierdurch einen schnellen Aufbau eines Magnetfelds zu bewirken. Dieser erste Spulenstrom kann entweder von der Steuereinrichtung gesteuert oder von der Steuereinrichtung geregelt werden, der Betrag für diesen ersten Spulenstrom ist variabel und hängt auch von der Induktivität des Magnetkreises ab. Sobald eine Bewegung des Ankers anhand eines geeigneten Sensorsignals ermittelt werden konnte, erfolgt durch die Steuereinrichtung eine Umschaltung vom ersten Spulenstrom auf einen zweiten Spulenstrom. Ein Betrag des zweiten Spulenstroms ist dabei kleiner als ein maximaler Betrag des ersten Spulenstroms. Die Bereitstellung des zweiten Spulenstroms durch die Steuereinrichtung erfolgt in einer geschlossenen Regelschleife auf Basis eines Stromsignals, das den Stromfluss durch die Magnetspule repräsentiert. Eine Ermittlung des Stromflusses durch die Magnetspule erfolgt mit einem Stromsensor, der mit der Steuereinrichtung elektrisch verbunden ist und der beispielsweise als kontaktlos an einer Zuleitung oder Ableitung der Magnetspule angeordnete Messspule zur induktiven Strommessung mit einem zugeordnetem Strommessgerät oder als Messwiderstand in der Zuleitung oder Ableitung der Magnetspule mit zugeordnetem Spannungsmessgerät ausgebildet sein kann.
Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung für eine Bereitstellung des zweiten Spulenstroms mit einer Stromstärke ausgebildet ist, die maximal 60 Prozent, vorzugsweise maximal 50 Prozent, besonders bevorzugt maximal 40 Prozent, insbesondere maximal 30 Prozent, der maximalen Stromstärke des ersten Spulenstroms beträgt. Der zweite Spulenstrom weist einen geringeren Betrag als die maximale Stromstärke des ersten Spulenstroms auf, da ein Energiebedarf für die Bewegung des Ankers und des damit gekoppelten Ventilglieds aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung zu Beginn der Bewegung des Ankers aufgrund von Trägheitseffekten und Reibungseffekten (insbesondere unter Berücksichtigung des Stick-Slip-Effekts, also der zu Beginn der Bewegung zu überwindenden Haftreibung zwischen Anker und Magnetspule) deutlich höher ist als zu einem Zeitpunkt, zu dem der Anker bereits in Bewegung ist. Mit einer Reduzierung der Energiezufuhr ab dem Zeitpunkt der Ermittlung der Ankerbewegung sind mehrere Vorteile verbunden. Zum einen kann hierdurch eine Geschwindigkeit des Ankers beim Eintreffen in der zweiten Funktionsposition reduziert werden, wodurch sowohl eine Geräuschemission für das Magnetventil als auch ein Verschleiß für den Anker, das Ventilglied und eine eventuelle vorhandene Dichtmembran reduziert werden können. Zum anderen wird hierdurch ein Wärmeeintrag von der Magnetspule auf den Anker und das damit verbundene Ventilglied sowie von der Magnetspule auf das Ventilgehäuse reduziert, was insbesondere bei einer Handhabung von thermisch instabilen Fluiden, die mittels des Magnetventils dosiert werden sollen, von großem Interesse ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der zweite Spulenstrom über einen längeren Zeitraum, insbesondere bis zu einem Zeitpunkt, bei dem eine Überführung des Ankers und des damit verbundenen Ventilglieds aus der zweiten Funktionsstellung in die erste Funktionsstellung erfolgen soll, aufrechterhalten wird. Vorzugsweise ist der Betrag für den zweiten Spulenstrom derart bemessen, dass der Anker und das damit gekoppelte Ventilglied bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Magnetventils in der zweiten Funktionsstellung verbleiben, solange der zweite Spulenstrom bereitgestellt wird. Aufgrund der Stromregelung für den zweiten Spulenstrom werden Bewegungen des Ankers und des damit gekoppelten Ventilglieds aus der zweiten Funktionsstellung weitgehend oder vollständig verhindert, da bei einer solchen Bewegung des Ankers eine Reduktion des Stromflusses aufgrund von Induktionseffekten auftritt und die Steuereinrichtung dieser Reduktion des Stromflusses entgegenwirkt und somit den Anker wieder in die zweite Funktionsstellung bewegt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Nutzung eines Stromsignals eines Stromsensors zur Bewegungserkennung des Ankers und zur geregelten Bereitstellung des Spulenstroms ausgebildet ist. Hierbei kommt dem Stromsignal eine Doppelfunktion zu, da es sowohl für die Bewegungserkennung des Ankers als auch für die Regelung des Spulenstroms, insbesondere des zweiten Spulenstroms nach Erkennung der Bewegung des Ankers, dient.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Bereitstellung des zweiten Spulenstroms mit einer Pulsweitenmodulation in einem Frequenzintervall zwischen 0Hz und 100kHz, insbesondere zwischen 20kHz und 70kHz, und/oder mit einem konstanten Betrag ausgebildet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ein getaktetes Steuersignal bereitstellt, mit dem ein Schalter, insbesondere ein elektronischer Schalter, elektrisch angesteuert werden kann, der seinerseits eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Energiequelle und der Magnetspule schließen bzw. unterbrechen kann. In Abhängigkeit von einer vorgebbaren Pulsfrequenz sowie von einem vorgebbaren Puls-Pausenverhältnis für das getaktete Steuersignal und dem Stromsignal des Stromsensors kann damit der gewünschte Spulenstrom für die Magnetspule in einer geschlossenen Regelschleife geregelt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem weiteren Aspekt durch ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventilsystems gelöst, bei dem ein Ventilglied von einem Anker eines mit einer Magnetspule ausgerüsteten Magnetkreises aus einer ersten Funktionsstellung in eine zweite Funktionsstellung bewegt wird, und das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Spulenstroms von einer Steuereinrichtung an die Magnetspule zur Einleitung einer Bewegung des Ankers aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung, Ermitteln eines von der Bewegung des Ankers abhängigen Sensorsignals mit einer Sensoreinrichtung und Bereitstellung des Sensorsignals an die Steuereinrichtung, Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied gekoppelten Ankers anhand des Sensorsignals, geregeltes Bereitstellen eines vorgegebenen zweiten Spulenstroms von der Steuereinrichtung an die Magnetspule in einem vorgegebenen Zeitintervall nach dem Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied gekoppelten Ankers. Vorzugsweise ist das Zeitintervall derart gewählt, dass eine Umschaltung vom ersten Spulenstrom auf den zweiten Spulenstrom zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Anker einen vorgegebenen Bewegungszustand oder eine vorgegebene Position erreicht hat, von der aus der Anker trotz der Reduzierung des Spulenstroms auf den Betrag des zweiten Spulenstroms die zweite Funktionsstellung als gewünschte Zielposition einnehmen kann.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung den Spulenstrom erfasst und dass das Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied gekoppelten Ankers anhand eines Wendepunkts in einem zeitlichen Verlauf des Spulenstroms vorgenommen wird. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, durch einen Vergleich eines oder mehrerer zeitlich vorausgehender Messwerte für den Spulenstrom mit dem aktuellen Messwert für den Spulenstrom eine Ermittlung einer Steigung für eine Verlaufskurve des Spulenstroms durchzuführen. Im Falle einer Vorzeichenänderung für die ermittelte Steigung zieht die Steuereinrichtung den Schluss, dass eine Bewegung des Ankers stattgefunden hat, da aufgrund der mit einer Ankerbewegung einhergehenden Gegeninduktion in der Magnetspule ein zumindest kurzzeitiges Absinken des zunächst nach Einschalten des Spulenstroms stetig ansteigenden Betrags des Spulenstroms stattfindet.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das vorgegebene Zeitintervall größer als eine Bewegungsdauer für den Anker zwischen der ersten Funktionsstellung und der zweiten Funktionsstellung gewählt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Umschaltung zwischen dem ersten Spulenstrom und dem zweiten Spulenstrom erst dann erfolgt, wenn der Anker zuverlässig in die zweite Funktionsstellung überführt wurde.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Stromregelung für den zweiten Spulenstrom nach Erreichen der zweiten Funktionsstellung bis zu einem Zeitpunkt aufrechterhalten wird, zu dem eine Überführung des Ankers und des damit gekoppelten Ventilglieds aus der zweiten Funktionsstellung in die erste Funktionsstellung vorgenommen wird. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bei einer Einwirkung von äußeren Beschleunigungen auf das Magnetventil, die zu einer Bewegung des Ankers führen können, der Anker in der zweiten Funktionsstellung gehalten wird oder rasch wieder in die zweite Funktionsstellung zurück bewegt wird.
Bevorzugt ist für das Verfahren vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Pulsweitenmodulation für den Spulenstrom in einem Frequenzintervall zwischen 0Hz und 100kHz, insbesondere zwischen 20kHz und 70kHz, vornimmt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine streng schematische Darstellung eines als Membranventil ausgebildet Magnetventils,
2 eine streng schematische Darstellung der wesentlichen Funktionskomponenten der Steuereinrichtung, und
3 eine streng schematische Darstellung eines Strom-Zeit-Diagramms.

Ein in der 1 dargestelltes Magnetventilsystem 1 umfasst ein Magnetventil 2 und eine elektrisch mit dem Magnetventil 2 verbundene Steuereinrichtung 3. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass das Magnetventil 2 als Membranventil ausgebildet ist, bei dem eine flexible, insbesondere gummielastische, Membran 20 abdichtend zwischen einem ersten Ventilgehäuseteil 18 und einem zweiten Ventilgehäuseteil 19 eines Ventilgehäuses 17 aufgenommen ist.
Rein exemplarisch sind am Ventilgehäuse 17 ein erster Fluidanschluss 21 und ein zweiter Fluidanschluss 22 ausgebildet. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der erste Fluidanschluss 21 in einen bereichsweise hülsenförmig ausgebildeten Fluidkanal 23 mündet, der seinerseits eine Mündungsöffnung 24 aufweist, die in einen Ventilraum 25 ausmündet. Dabei ist die Mündungsöffnung 24 rein exemplarisch an einer kreisringförmigen Stirnfläche 26 des Fluidkanals 23 ausgebildet und wird auch als Ventilsitz bezeichnet. Der Ventilraum 25 erstreckt sich koaxial zum Fluidkanal 23 und ist über eine Fluidleitung 21 mit dem zweiten Fluidanschluss 22 fluidisch kommunizierend verbunden.
Die aus einem gummielastischen Material hergestellte Membran 20 ist derart benachbart zur kreisringförmigen Stirnfläche 26 des Fluidkanals 23 angeordnet, dass sie durch eine elastische Deformation abdichtend auf die kreisringförmige Stirnfläche 26 gepresst werden kann. Um diese Abdichtwirkung hervorrufen zu können ist das Magnetventil 2 mit einem Magnetantrieb 4 versehen. Der Magnetantrieb 4 umfasst eine Magnetspule 5, einen Magnetkern 6, einen beweglich gelagerten Anker 7 sowie ein rein exemplarisch mit rechteckiger Profilierung ausgebildetes Joch 8. Beispielhaft ist die Magnetspule 5 als Anordnung einer Vielzahl von nicht dargestellten Drahtwicklungen ausgebildet, die in ihrer Gesamtheit eine kreiszylindrische Hülse bilden, die sich koaxial zu einer Längsachse 9 erstreckt. Ferner sind sowohl der Magnetkern 6 als auch der Anker 7 jeweils rotationssymmetrisch zur Längsachse 9 ausgebildet und aus einem magnetflussleitenden Werkstoff hergestellt. Dabei ist der Magnetkern 6 ortsfest in der Magnetspule 5 aufgenommen, während der Anker 7 linearbeweglich längs der Längsachse 9 in der Magnetspule 5 gelagert ist.
Eine dem Anker 7 abgewandte, beispielsweise eben ausgebildete Stirnseite 10 des Magnetkerns 6 steht in flächigem Kontakt mit dem aus magnetflussleitenden Material hergestellten Joch 8. Das Joch 8 umgibt die Magnetspule 5, ist in der Darstellungsebene der 1 mit einer rechteckigen Profilierung ausgebildet und ist mit einer koaxial zur Längsachse 9 ausgebildeten Ausnehmung 11 versehen, die vom Anker 7 durchsetzt wird. Um eine Vorzugsstellung für den Anker 7 vorzugeben, ist zwischen dem Anker 7 und dem Magnetkern 6 eine Federeinrichtung 12, insbesondere eine Wendelfeder, angeordnet, die eine innere Vorspannung aufweist und die ein rein exemplarisch fest mit dem Anker 7 verbundenes Ventilglied 14 bei stromloser Magnetspule 5 auf die Membran 20 presst, so dass diese abdichtend an der kreisringförmigen Stirnfläche 26 anliegt.
In dieser auch als erste Funktionsstellung bezeichneten Ruhestellung des Magnetventils 2, das damit als normal geschlossen bezeichnet werden kann, ist eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss 21 und dem zweiten Fluidanschluss 22 unterbrochen.
Um einen Fluidstrom vom ersten Fluidanschluss 21 zum zweiten Fluidanschluss 22 oder in umgekehrter Richtung zu ermöglichen ist es erforderlich, die Abdichtwirkung zwischen der Membran 20 und der als Ventilsitz dienenden kreisringförmigen Stirnfläche 26 des Fluidkanals 23 aufzuheben. Hierzu ist es erforderlich, den Anker 7 aus der ersten Funktionsstellung gemäß der Darstellung der 1 in eine nicht gezeigte zweite Funktionsstellung zu überführen, bei der ein Abstand zwischen dem Anker 7 und den Magnetkern 6 reduziert ist und die Federeinrichtung 12 komprimiert ist. Um diese Überführung des Ankers 7 hervorzurufen ist vorgesehen, einen Spulenstrom von der Steuereinrichtung 3 an die Magnetspule 5 bereitzustellen, um dadurch einen magnetischen Fluss im Magnetkern 6, im Joch 8 sowie im Anker 7 hervorzurufen. Da der magnetische Fluss hierbei einen Luftspalt 15 zwischen dem Anker 7 und dem Magnetkern 6 überwinden muss, tritt eine Anziehungskraft zwischen dem Anker 7 und den Magnetkern 6 auf. Mit dieser Anziehungskraft kann eine elastische Deformation der Federeinrichtung 12 und damit die Annäherung des Ankers 7 an den Magnetkern 6 sowie das Abheben der Membran 20 von der kreisringförmigen Stirnfläche 26 bewirkt werden.
Für die Durchführung dieses Annäherungsvorgangs zwischen Anker 7 und Magnetkern 6 ist die Steuereinrichtung 3 dazu ausgebildet, über Anschlussleitungen 28, 29 einen Spulenstrom an die Magnetspule 5 bereitzustellen.
Eine schematische Aufbauweise für die Steuereinrichtung 3 ist der 2 zu entnehmen. Hierbei ist zu erwähnen, dass die für die Steuereinrichtung 3 nur dann eine elektrische Versorgungsspannung Uv zwischen einem Eingangsanschluss 33 und einem Masseanschluss 34 bereitgestellt wird, wenn auch tatsächlich eine Ansteuerung des Magnetventils 2 vorgesehen ist. In der übrigen Zeit ist es nicht erforderlich, eine Versorgungsspannung Uv an die Steuereinrichtung 3 bereitzustellen.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass nachgelagert zum Eingangsanschluss 33 ein Eingangsfilter 35 vorgesehen ist, dessen Aufgabe darin besteht, Störeinstrahlungen, die von außen in die Steuereinrichtung 3 einwirken können sowie Störausstrahlungen, die von der Steuereinrichtung 3 hervorgerufen werden können, zu bedämpfen oder vorzugsweise vollständig zu eliminieren. Hinter dem Eingangsfilter 35 ist eine Verzweigung zu einer Endstufe 36 und einem Spannungsversorgungsbaustein 37 vorgesehen, wobei die Endstufe 36 einen oder mehrere elektrisch ansteuerbare Schalter aufweisen kann und wobei der Spannungsversorgungsbaustein 37 für eine Bereitstellung einer stabilen Versorgungsspannung an einen nachgelagerten Mikrocontroller 38 ausgebildet ist. Der Mikrocontroller 38 ist elektrisch mit der Endstufe 36 verbunden und stellt Ansteuersignale, insbesondere pulsweitenmodulierte Ansteuersignale, an die Endstufe 36 zur Verfügung, um einen Stromfluss vom Eingangsanschluss 33 an die mit der Endstufe 36 gekoppelte Magnetspule 5 des in der 2 nicht näher dargestellten Magnetventils zu ermöglichen. Die Magnetspule 5 ist zum einen mit der Endstufe 36 und zum anderen über einen Messwiderstand 40 mit dem Masseanschluss 34 verbunden. Hierdurch wird bei Vorliegen eines geeigneten Ansteuersignals, das von dem Mikrocontroller 38 bereitgestellt wird, ein Stromfluss vom Eingangsanschluss 33 durch die Endstufe 36, die Magnetspule 5 und den Messwiderstand 40 zum Ausgangsanschluss 34 ermöglicht.
Parallel zur Reihenschaltung aus Magnetspule 5 und Messwiderstand 40 ist eine Freilaufdiode 41 angeordnet, die bei der Abschaltung der Stromversorgung für die Magnetspule 5 den aufgrund der Gegenisolation der Magnetspule 2 auftretenden Strom ableiten kann.
Der Messwiderstand 40 ist über Messleitungen 42, 43 elektrisch mit den Mikrocontroller 38 verbunden und dient zur Erfassung eines stromabhängigen Spannungsabfalls, wobei dieser Spannungsabfall vom Mikrocontroller 38 ermittelt und als ein Maß für den Stromfluss durch die Magnetspule 5 herangezogen werden kann.
Gemäß der Darstellung der 3, in der ein Strom-ZeitDiagramm gezeigt ist, in dem zusätzlich der Verlauf der Versorgungsspannung Uv eingezeichnet ist, wird zu einem Zeitpunkt t0 die Versorgungsspannung Uv bereitgestellt und zu einem Zeitpunkt t7 wieder abgeschaltet.
Kurz nach Bereitstellung der Versorgungsspannung Uv wird nach einer Initialisierung des Mikrocontrollers 38 ein Ansteuersignal vom Mikrocontroller 38 an die Endstufe 36 bereitgestellt. Hieraus resultiert, dass zum Zeitpunkt t1 eine Freigabe eines Spulenstroms durch die Endstufe 36 stattfindet, wobei dieser Spulenstrom an die Magnetspule 5 bereitgestellt wird. Da die Magnetspule 5 einem von außen aufgeprägten Stromfluss ihre Selbstinduktion entgegengestellt, kommt es bei der schematischen und idealisierten Darstellung der 3 zu einem linearen Anstieg des Spulenstroms zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt t2 ist der magnetische Fluss im Luftspalt 15, wie er in der 1 gezeigt ist, soweit angewachsen, dass der Anker 7 die Haftreibung gegenüber dem Joch 8 und der Magnetspule 5 sowie die Rückstellkraft der Federeinrichtung 12 überwindet und sich in Richtung des Magnetkerns 6 in Bewegung setzt.
Durch diese Bewegung des Ankers 7 in der Magnetspule 5 wird eine zusätzliche Induktion in der Magnetspule 5 hervorgerufen, die sich in einem Strom äußert, der dem der Magnetspule 5 aufgeprägten Strom entgegengesetzt ist. Dementsprechend kommt es gemäß der Darstellung der 3 ab dem Zeitpunkt t2 zu einer zeitweiligen Reduktion des Spulenstroms, die sich auch in einem abnehmenden Spannungsabfall am Messwiderstand 40 äußert. Dieser Spannungsabfall wird im Mikrocontroller 38 durch einen Vergleich der aktuell gemessenen Spannung mit zeitlich vorhergehend gemessenen Spannungen detektiert. Für einen auf Basis des am Messwiderstand 40 ermittelten Spannungsabfall berechneten Stromverlauf für die Magnetspule 5 ergibt sich somit zum Zeitpunkt t2 ein Vorzeichenwechsel für die Steigung der Stromverlaufskurve, wobei dieser Vorzeichenwechsel als Triggersignal für den Mikrocontroller 38 genutzt werden kann, um ab dem Zeitpunkt t5 eine Stromregelung für das Magnetventil 2 vorzusehen.
Wie der schematischen Darstellung der 3 entnommen werden kann, fällt der Spulenstrom ab dem Zeitpunkt t2 aufgrund der Relativbewegung des Ankers 7 gegenüber der Magnetspule 5 zunächst ab, bis der Anker 7 zum Zeitpunkt t3 die zweite Funktionsstellung erreicht hat, bei der abweichend von der rein exemplarischen Darstellung der 1 ein minimaler Luftspalt 15 zwischen dem Anker 7 und dem Magnetkern 6 vorliegt. Ab dem Zeitpunkt t3 steigt der Spulenstrom in der Magnetspule 5 aufgrund des nunmehr wieder zum Stillstand gekommenen Ankers 7 wieder an, bis zum Zeitpunkt t4 ein maximaler Betrag I1max für den Spulenstrom I1 erreicht ist.
Für den Fall, dass der Mikrocontroller 38 den Spannungsabfall am Messwiderstand 40 nicht oder zumindest nicht zuverlässig ermitteln kann, erfolgt eine Umschaltung vom ersten Spulenstrom I1 auf einen reduzierten und konstanten Spulenstrom 12, der auch als Haltestrom bezeichnet wird, zu einem Zeitpunkt t6. Dieser Zeitpunkt t6 kann fest in den Mikrocontroller 38 einprogrammiert sein und ist derart gewählt, dass der Anker 7 mit großer Zuverlässigkeit die zweite Funktionsstellung erreicht hat.
Liegt hingegen der Fall vor, dass der Mikrocontroller 38 den Spannungsabfall am Messwiderstand 40 und damit den Stromfluss durch die Magnetspule 5 zuverlässig ermitteln kann, erfolgt eine Umschaltung vom ersten Spulenstrom I1 auf den reduzierten und konstanten zweiten Spulenstrom 12 zu einem Zeitpunkt t5, der zeitlich deutlich vor dem Zeitpunkt t6 liegt. Beispielhaft ist vorgesehen, dass zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t5 eine feste Zeitspanne delta-t (=t5-t2) liegt, die im Mikrocontroller 38 gespeichert ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn für verschiedene Magnetventiltypen unterschiedliche Zeitspannen delta-t im Mikrocontroller 38 gespeichert sind.
Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller 38 anhand der Verlaufskurve für den Spulenstrom I1 eine Bestimmung des angeschlossenen Magnetventiltyps vornehmen kann und für diesen Fall selbsttätig eine Auswahl der Zeitspanne delta-t vornehmen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014117818 B4 [0002]
DE 102015101778 A1 [0003]
WO 2016/012292 A1 [0004]

Claims

Magnetventilsystem (1) mit einem Magnetventil (2) und mit einer Steuereinrichtung (3), wobei das Magnetventil (2) ein Ventilgehäuse (17) aufweist, das von einem Fluidkanal (23, 25) durchsetzt ist, in dem ein Ventilglied (14) zum zeitweiligen Abdichten eines im Fluidkanal (23, 25) ausgebildeten Ventilsitzes (24) beweglich aufgenommen ist, sowie mit einem Magnetantrieb (4), der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule (5) und einem zwischen einer ersten Funktionsstellung und einer zweiten Funktionsstellung linearbeweglichen Anker (7) umfasst, der mit dem Ventilglied (14) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (3) für eine Bereitstellung eines Spulenstroms an die Magnetspule (5) ausgebildet ist und mit einer Sensoreinrichtung (40) verbunden ist, die zur Bereitstellung eines von einer Bewegung des Anker (7) abhängigen Sensorsignals ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (3) für eine Auswertung des Sensorsignals zur Ermittlung der Bewegung des Ankers (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) für eine Regelung des bereitgestellten Spulenstroms (11, 12) bei Vorliegen der Ankerbewegung ausgebildet ist.
Magnetventilsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) für eine gesteuerte oder geregelte Bereitstellung eines ersten Spulenstroms (I1) ausgebildet ist, um eine Einleitung einer Bewegung auf den Anker (7) zu bewirken, und dass die Steuereinrichtung (7) für eine geregelte Bereitstellung eines zweiten Spulenstroms (12) nach der Ermittlung der Bewegung des Ankers (7) ausgebildet ist, wobei der zweite Spulenstrom (12) kleiner als ein Maximalbetrag (I1max) des ersten Spulenstroms (I1) ist.
Magnetventilsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) für eine Bereitstellung des zweiten Spulenstroms (12) mit einer Stromstärke ausgebildet ist, die maximal 60 Prozent, vorzugsweise maximal 50 Prozent, besonders bevorzugt maximal 40 Prozent, insbesondere maximal 30 Prozent, der maximalen Stromstärke (I1max) des ersten Spulenstroms (I1) beträgt.
Magnetventilsystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) für eine Nutzung eines Stromsignals eines Stromsensors (40) zur Bewegungserkennung des Ankers (7) und zur geregelten Bereitstellung des Spulenstroms (11, 12) ausgebildet ist.
Magnetventilsystem (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) für eine Bereitstellung des zweiten Spulenstroms (12) mit einer Pulsweitenmodulation in einem Frequenzintervall zwischen 0Hz und 100kHz, insbesondere zwischen 20kHz und 70kHz, und/oder mit einem konstanten Betrag ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Magnetventilsystems (1), bei dem ein Ventilglied (14) von einem Anker (7) eines mit einer Magnetspule (5) ausgerüsteten Magnetkreises aus einer ersten Funktionsstellung in eine zweite Funktionsstellung bewegt wird, mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Spulenstroms (I1) von einer Steuereinrichtung (3) an die Magnetspule (5) zur Einleitung einer Bewegung des Ankers (7) aus der ersten Funktionsstellung in die zweite Funktionsstellung, Ermitteln eines von der Bewegung des Ankers (7) abhängigen Sensorsignals mit einer Sensoreinrichtung (40) und Bereitstellung des Sensorsignals an die Steuereinrichtung (3), Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied (14) gekoppelten Ankers (7) anhand des Sensorsignals, geregeltes Bereitstellen eines vorgegebenen zweiten Spulenstroms (12) von der Steuereinrichtung (3) an die Magnetspule (5) in einem vorgegebenen Zeitintervall (delta-t) nach dem Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied (14) gekoppelten Ankers (7).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) den Spulenstrom (11, 12) erfasst und dass das Erfassen der Bewegung des mit dem Ventilglied (14) gekoppelten Ankers (7) anhand eines Wendepunkts in einem zeitlichen Verlauf des Spulenstroms (11, 12) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Zeitintervall (delta-t) größer als eine Bewegungsdauer für den Anker (7) zwischen der ersten Funktionsstellung und der zweiten Funktionsstellung gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung für den zweiten Spulenstrom (12) nach Erreichen der zweiten Funktionsstellung bis zu einem Zeitpunkt aufrechterhalten wird, zu dem eine Überführung des Ankers (7) und des damit gekoppelten Ventilglieds (14) aus der zweiten Funktionsstellung in die erste Funktionsstellung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) eine Pulsweitenmodulation für den Spulenstrom (11, 12) in einem Frequenzintervall zwischen 0Hz und 100kHz, insbesondere zwischen 20kHz und 70kHz, vornimmt.