DE102022200152A1

DE102022200152A1 - Magnetaktuator, Ventilanordnung und Verfahren

Info

Publication number: DE102022200152A1
Application number: DE102022200152.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kirsamer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-07-13
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: KR20230108225A; US20230223178A1; DE102022200152B4; CN116418196A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetaktuator (10) mit einem Aktorglied (1), einer Spule (L1) zur Betätigung des Aktorglieds (1), sowie einer Schaltung (2) zur Bestromung der Spule (L1), wobei die Schaltung (2) über einen Versorgungsspannungs-Eingang (3) verfügt, an dem eine Versorgungsspannung (U1) für die Bestromung der Spule (L1) anlegbar ist, und wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, in einer Haltestromabsenkungs-Phase (HP) eine getaktete Bestromung der Spule (L1) bereitzustellen und in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (U1) ein Tastverhältnis der getakteten Bestromung anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetaktuator mit einem Aktorglied, einer Spule zur Betätigung des Aktorglieds, sowie einer Schaltung zur Bestromung der Spule, wobei die Schaltung über einen Versorgungsspannungs-Eingang verfügt, an dem eine Versorgungsspannung für die Bestromung der Spule anlegbar ist, und wobei die Schaltung ausgebildet ist, in einer Haltestromabsenkungs-Phase eine getaktete Bestromung der Spule bereitzustellen.
Die Haltestromabsenkungs-Phase kann beispielsweise auf eine Anzugs-Phase folgen. In der Anzugs-Phase bestromt die Schaltung die Spule stark genug, um das Aktorglied von einer nicht-angezogenen Stellung in eine angezogene Stellung zu versetzen. In der Haltestromabsenkungs-Phase wird das Aktorglied in der angezogenen Stellung gehalten, wofür eine geringere Bestromung als in der Anzugs-Phase ausreichend ist.
Um in der Haltestromabsenkungs-Phase eine reduzierte Bestromung der Spule zu erzielen, kann in der Haltestromabsenkungs-Phase die Bestromung getaktet werden, beispielsweise auf Basis eines PWM-Signals (PWM = Pulsweitenmodulation). Es gibt den Ansatz, die Taktung ohne Regelung zu betreiben. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass er einfach und platzeffizient zu realisieren ist, da für diesen Ansatz keine komplexe Schaltung, insbesondere kein Microcontroller, erforderlich ist. Nachteilig ist allerdings, dass die Haltestromabsenkung ohne Regelung nur innerhalb eines bestimmten Bereichs der Versorgungsspannung funktioniert - und somit nicht flexibel einsetzbar ist. Bei einer zu geringen Versorgungsspannung (beispielsweise aufgrund einer langen Kabellänge) besteht das Risiko, dass die getaktete Bestromung nicht ausreicht, um das Aktorglied in der angezogenen Stellung zu halten.
Es gibt ferner den Ansatz, bei der getakteten Bestromung eine Stromregelung durchzuführen. Bei diesem Ansatz wird der durch die Spule fließende Strom gemessen und die Taktung der Bestromung wird derart angepasst, dass der gemessene Strom gleich einem Soll-Stromwert ist. Der durch die Spule fließende Strom soll auch als Spulenstrom bezeichnet werden. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass für die Regelung typischerweise ein Strommesswiderstand erforderlich ist, der zusätzlich Platz erfordert, so dass dieser Ansatz nicht einfach oder platzeffizient realisierbar ist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfach und platzeffizient realisierbare Schaltung für die Haltestromabsenkung zu schaffen, die einen flexiblen Einsatz des Magnetaktuators ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Magnetaktuator gemäß Anspruch 1. Die Schaltung des Magnetaktuators ist ausgebildet, in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung ein Tastverhältnis der getakteten Bestromung anzupassen.
Insbesondere bildet die Schaltung in der Haltestromabsenkungs-Phase die Versorgungsspannung auf das Tastverhältnis ab. Vorzugsweise passt die Schaltung in der Haltestromabsenkungs-Phase das Tastverhältnis dadurch an, dass die Schaltung eine Steuerung (und insbesondere keine Regelung) des Tastverhältnisses auf Basis der Versorgungsspannung durchführt. Insbesondere führt die Schaltung (insbesondere in der Haltestromabsenkungs-Phase) keine Regelung des durch die Spule fließenden Stroms durch.
Mittels der Anpassung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung wird es möglich, den Einfluss von Änderungen der Versorgungsspannung auf den zeitlichen Mittelwert des Spulenstroms (und damit auf die Haltekraft, mit der die Spule das Aktorglied in der angezogenen Stellung hält) zu kompensieren. Beispielsweise kann eine niedrige Versorgungsspannung dadurch kompensiert werden, dass das Tastverhältnis der Bestromung erhöht wird. Aufgrund der niedrigeren Versorgungsspannung ist die Stromstärke zwar geringer; durch das erhöhte Tastverhältnis wird aber (pro Bestromungs-Periode) länger bestromt, so dass ein Absenken des (für die Haltekraft maßgeblichen) zeitlichen Mittelwerts des Spulenstroms verringert oder verhindert werden kann. Somit kann der Magnetaktuator in einem größeren Bereich der Versorgungsspannung betrieben werden und ist folglich flexibel einsetzbar.
Die Anpassung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung ist ohne Microcontroller implementierbar und erfordert vorzugsweise keine Strommessung. Die erfindungsgemäße Lösung ist daher einfach und platzeffizient realisierbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner eine Ventilanordnung, die den Magnetaktuator umfasst, wobei das Aktorglied als Ventilglied ausgeführt ist oder zur Aktuierung eines Ventilglieds der Ventilanordnung dient.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetaktuators mit einem Aktorglied, einer Spule zur Betätigung des Aktorglieds, sowie einer Schaltung zur Bestromung der Spule, wobei die Schaltung über einen Versorgungsspannungs-Eingang verfügt, umfassend die Schritte:

- Anlegen, an den Versorgungsspannungs-Eingang, einer Versorgungsspannung für die Bestromung der Spule,
- Bereitstellen einer getakteten Bestromung der Spule mittels der Schaltung in einer Haltestromabsenkungs-Phase, und
- Anpassen eines Tastverhältnisses der getakteten Bestromung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung mittels der Schaltung.

Das Verfahren ist vorzugsweise in Entsprechung zu einer vorstehend oder nachstehend beschriebenen Ausgestaltung des Magnetaktuators ausgeführt und/oder wird unter Verwendung eines vorstehend oder nachstehend beschriebenen Magnetaktuators ausgeführt.
Weitere exemplarische Details sowie beispielhafte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Magnetaktuator und einer Spannungsquelle,
2 ein Schaubild mit einem zeitlichen Verlauf eines Spulenstroms,
3 eine schematische Darstellung einer Ventilanordnung in einer Frontansicht, und
4 eine schematische Darstellung einer Ventilanordnung in einer Seitenansicht.

Die 1 zeigt ein System 30 mit einem Magnetaktuator 10 und einer Spannungsquelle 7. Das System 30 stellt eine exemplarische Anwendungsumgebung des Magnetaktuators 10 dar. Der Magnetaktuator 10 kann auch für sich genommen - also ohne die Spannungsquelle 7 - bereitgestellt sein.
Der Magnetaktuator 10 ist beispielsweise für den Einsatz in der Automatisierungstechnik ausgebildet. Vorzugsweise ist der Magnetaktuator 10 ein industrieller Magnetaktuator. Beispielsweise wird eine industrielle Anlage bereitgestellt, die den Magnetaktuator 10 umfasst.
Der Magnetaktuator 10 umfasst ein Aktorglied 1 und eine Spule L1 zur Betätigung des Aktorglieds 1. Das Aktorglied 1 ist zweckmäßigerweise wahlweise in eine angezogene Stellung und eine nicht-angezogene Stellung versetzbar. Das Aktorglied 1 umfasst zweckmäßigerweise magnetisches Material, insbesondere ferromagnetisches Material, das mit einem von der Spule L1 bereitgestellten Magnetfeld interagiert. Das Aktorglied 1 ist durch eine Bestromung der Spule L1 von der nicht-angezogenen Stellung in die angezogene Stellung versetzbar. Das Aktorglied 1 kann durch die Bestromung der Spule L1 in der angezogenen Stellung gehalten werden. Zweckmäßigerweise nimmt das Aktorglied 1 in Ansprechen darauf, dass die Spule L1 nicht bestromt wird, die nicht-angezogene Stellung ein. Beispielsweise umfasst der Magnetaktuator 10 ein Federelement 9, dessen Federkraft das Aktorglied 1 in Ansprechen darauf, dass die Spule L1 nicht bestromt wird, in die nicht-angezogene Stellung versetzt.
Exemplarisch umfasst der Magnetaktuator 10 einen Magnetaktuator-Abschnitt 11, der die Spule L1, das Aktorglied 1 und/oder das Federelement 9 umfasst.
Der Magnetaktuator 10 umfasst eine Schaltung 2 zur Bestromung der Spule L1. Bevorzugt ist die Schaltung 2 ausschließlich in analoger Schaltungstechnik ausgeführt. Die Schaltung 2 ist zweckmäßigerweise rein analog. Insbesondere umfasst die Schaltung 2 keinen Mikrocontroller.
Die Schaltung 2 verfügt über einen Versorgungsspannungs-Eingang 3, an dem eine Versorgungsspannung U1 anlegbar ist. Die Versorgungsspannung U1 wird von der Spannungsquelle 7 bereitgestellt. Die Versorgungsspannung U1 dient für die Bestromung der Spule L1. Zweckmäßigerweise wird die für die Bestromung der Spule L1 erforderliche elektrische Energie durch die Versorgungsspannung U1 bereitgestellt. Exemplarisch ist die Spule L1 über einen Schalter 5 der Schaltung 2 mit dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 elektrisch verbindbar.
In einem leitenden Zustand des Schalters 5 fällt über der Spule L1 eine Spannung ab, die als Spulenspannung bezeichnet werden soll. Die Spulenspannung verhält sich zweckmäßigerweise gemäß der Versorgungsspannung U1 und ergibt sich insbesondere als Differenz der Versorgungsspannung U1 und einer über dem Schalter 5 abfallenden Schalter-Spannung. In einem leitenden Zustand des Schalters 5 bewirkt eine Änderung der Versorgungsspannung U1 eine entsprechende Änderung der Spulenspannung.
Der Versorgungsspannungs-Eingang 3 verfügt exemplarisch über einen ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a und einen zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b, zwischen denen die Versorgungsspannung U1 anlegbar ist. Im Betrieb ist die Spannungsquelle 7 zweckmäßigerweise zwischen dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a und dem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b geschaltet und stellt die Versorgungsspannung U1 zwischen diesen beiden Eingangs-Anschlusspunkten 3a, 3b bereit.
Die Schaltung 2 verfügt über einen Ausgang 8, an dem die Spulenspannung bereitgestellt wird. Der Ausgang 8 umfasst einen ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 8a und einen zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 8b, zwischen denen die Spule L1 geschaltet ist. Exemplarisch ist der erste Ausgangs-Anschlusspunkt 8a über den Schalter 5 mit dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a elektrisch verbindbar, insbesondere direkt elektrisch verbindbar. Exemplarisch ist der zweite Ausgangs-Anschlusspunkt 8b mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b elektrisch verbunden, insbesondere direkt elektrisch verbunden. Beispielsweise liegt der zweite Ausgangs-Anschlusspunkt 8b auf demselben elektrischen Potential, beispielsweise auf einem Masse-Potential, wie der zweite Eingangs-Anschlusspunkt 3b.
Die Schaltung 2 ist ausgebildet, in einer Haltestromabsenkungs-Phase HP eine getaktete Bestromung der Spule L1 bereitzustellen. Bei der Bestromung der Spule L1 fließt durch die Spule L1 der Strom 11, der auch als Spulenstrom bezeichnet werden soll. Eine getaktete Bestromung bedeutet insbesondere, dass die Schaltung 2 den Strom I1 periodisch abschaltet oder periodisch reduziert. Exemplarisch bedeutete eine getaktete Bestromung, dass die Schaltung 2 die Spulenspannung periodisch abschaltet, insbesondere dadurch, dass die Schaltung 2 den Schalter 5 periodisch in einen nicht-leitenden Zustand versetzt. Mit der Taktung der Bestromung ist insbesondere eine Taktung der Spulenspannung gemeint. Vorzugsweise stellt die Schaltung 2 bei der getakteten Bestromung abwechselnd eine Ein-Phase und eine Aus-Phase bereit, wobei in der Ein-Phase die Spulenspannung bereitgestellt wird (beispielsweise mittels des leitenden Zustands des Schalters 5) und in der Aus-Phase die Spulenspannung abgeschaltet wird (beispielsweise mittels des nicht-leitenden Zustands des Schalters 5). Es ergibt sich zweckmäßigerweise eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Perioden, wobei jede Periode eine Ein-Phase und eine Aus-Phase umfasst. Die Perioden können als Bestromungs-Perioden bezeichnet werden. Vorzugsweise stellt die Schaltung 2 die Spulenspannung als PWM-Signal bereit.
Die Schaltung 2 ist ausgebildet, in der Haltestromabsenkungs-Phase ein Tastverhältnis der getakteten Bestromung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung U1 anzupassen. Mit dem Begriff Tastverhältnis ist insbesondere ein Tastgrad gemeint. Das Tastverhältnis ist insbesondere der Tastgrad der (insbesondere als PWM-Signal vorliegenden) Spulenspannung. Vorzugsweise ist das Tastverhältnis das Ergebnis der Division der Zeitdauer einer Ein-Phase durch die Zeitdauer einer Periode der (insbesondere als PWM-Signal vorliegenden) Spulenspannung.
Im Folgenden soll näher darauf eingegangen werden, wie die Schaltung das Tastverhältnis in der Haltestromabsenkungs-Phase HP anpasst:

Insbesondere bildet die Schaltung 2 in der Haltestromabsenkungs-Phase HP die Versorgungsspannung U1 auf das Tastverhältnis ab. Vorzugsweise passt die Schaltung 2 in der Haltestromabsenkungs-Phase das Tastverhältnis dadurch an, dass die Schaltung 2 eine Steuerung (und insbesondere keine Regelung) des Tastverhältnisses auf Basis der Versorgungsspannung U1 durchführt. Insbesondere führt die Schaltung 2 (insbesondere in der Haltestromabsenkungs-Phase) keine Regelung des durch die Spule L1 fließenden Stroms I1 durch.

Bevorzugt ist die Schaltung 2 ausgebildet, über die Anpassung des Tastverhältnisses eine Änderung eines zeitlichen Mittelwerts des durch die Spule L1 fließenden Stroms I1 zu verringern oder zu verhindern, wenn sich die Versorgungsspannung U1 ändert. Zweckmäßigerweise ist die Schaltung 2 ausgebildet, einen Einfluss einer dauerhaft erhöhten oder dauerhaft abgesenkten Versorgungsspannung U1 auf den zeitlichen Mittelwert des Stroms I1 zu verringern oder zu verhindern, und zwar über die Anpassung des Tastverhältnisses. Insbesondere ermöglicht die Schaltung 2, dass der Magnetaktuator 10 mit verschiedenen, insbesondere innerhalb eines zulässigen Wertebereichs liegenden Betriebsspannungen (als Versorgungsspannung U1) betrieben werden kann, und bei jeder dieser Betriebsspannungen die getaktete Bestromung in der Haltestromabsenkungs-Phase HP ausreicht, um das Aktorglied (1) in der angezogenen Stellung zu halten.
Die Schaltung 2 ist insbesondere ausgebildet, durch die Anpassung des Tastverhältnisses einer Änderung des zeitlichen Mittelwerts entgegenzuwirken, vorzugsweise diese zu kompensieren, die ohne Anpassung des Tastverhältnisses durch eine Änderung der Versorgungsspannung U1 bewirkt werden würde. In bevorzugter Ausgestaltung hält die Schaltung 2 durch die Anpassung des Tastverhältnisses den zeitlichen Mittelwert des Stroms I1 konstant, selbst wenn sich die Versorgungsspannung U1 (und dadurch die Spulenspannung) ändert. Bei dem zeitlichen Mittelwert handelt es sich insbesondere um einen Mittelwert des Spulenstroms über eine Mehrzahl an Perioden der Spulenspannung.
Der Spitzenwert der Spulenspannung ändert sich zweckmäßigerweise in die gleiche Richtung wie die Versorgungsspannung U1. Bei einer Erhöhung der Versorgungsspannung U1 steigt der Spitzenwert der Spulenspannung und bei einer Verringerung der Versorgungsspannung U1 sinkt der Spitzenwert der Spulenspannung.
Bevorzugt ist die Schaltung 2 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung U1 sinkt, das Tastverhältnis zu erhöhen und/oder in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung U1 steigt, das Tastverhältnis zu verringern.
Exemplarisch erzielt die Schaltung 2 die Taktung der Bestromung der Spule L1 dadurch, dass die Schaltung 2 den Schalter 5 gemäß einem Taktsignal TS ansteuert. Der Schalter 5 umfasst einen Steueranschluss G, der auf Basis des Taktsignal TS angesteuert wird.
Das Taktsignal TS ist vorzugsweise ein PWM-Signal. Die Schaltung 2 ist ausgebildet, das Tastverhältis des Taktsignals TS anzupassen, um dadurch die Anpassung des Tastverhältnisses der getakteten Bestromung zu bewirken.
Bevorzugt umfasst die Schaltung 2 einen Spannungsteiler, der parallel zu dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 geschaltet ist. Der Spannungsteiler ist exemplarisch in einem ersten Schaltungszweig Z1 angeordnet oder wird von dem ersten Schaltungszweig Z1 gebildet. Der Spannungsteiler ist ausgebildet, eine Zwischenspannung bereitzustellen. Die Zwischenspannung ist eine Teilspannung einer über dem Spannungsteiler anliegenden Spannung, beispielsweise der Versorgungspannung U1. Die Schaltung 2 ist ausgebildet, in der Haltestromabsenkungsphase HP das Tastverhältnis auf Basis der Zwischenspannung anzupassen.
Exemplarisch umfasst der Spannungsteiler ein nicht-lineares Bauteil mit einer nicht-linearen Strom-Spannungskennlinie. Bevorzugt ist die nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie dergestalt ausgebildet, dass die Spannung, die am nicht-linearen Bauteil abfällt, einen Mindeststrom vorausgesetzt, unabhängig oder zumindest weitgehend unabhängig vom Strom ist, der durch das nicht-lineare Bauteil fließt. Das nicht-lineare Bauteil ist insbesondere eine Diode, bevorzugt eine in Sperrrichtung betriebene Z-Diode, beispielsweise die erste Diode D1, und/oder insbesondere kein Widerstand. Vorzugsweise ist das nicht-lineare Bauteil ein Halbleiterelement. Zweckmäßigerweise ist die Zwischenspannung an einem Anschlusspunkt des nicht-linearen Bauteils abgreifbar, beispielsweise an der Anode der ersten Diode D1. Zweckmäßigerweise stellt der Spannungsteiler die Zwischenspannung zwischen einem Anschlusspunkt des nicht-linearen Bauteils und einem Referenzpotential bereit.
Bevorzugt umfasst die Schaltung 2 keinen Strommesswiderstand zum Messen des durch die Spule L1 fließenden Stroms I1.
Bevorzugt umfasst die Schaltung 2 einen Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4. Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 dient zur Erzeugung des Taktsignals TS, das dazu dient, die Bestromung der Spule L1 zu takten, um die getaktete Bestromung bereitzustellen. Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 ist vorzugsweise ausschließlich in analoger Schaltungstechnik ausgeführt.
Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 verfügt über einen Erzeugungsabschnitt-Eingang 12 mit einem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 12a und einem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 12b. An dem Eingang 12 - also zwischen dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 12a und dem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 12b - liegt eine Eingangsspannung an, die (insbesondere direkt) von der Versorgungsspannung U1 abhängt. Exemplarisch ist die Eingangsspannung eine Teilspannung der Versorgungsspannung U1.
Der erste Eingangs-Anschlusspunkt 12a des Taktsignal-Erzeugungsabschnitts 4 ist an einen ersten Schaltungszweig Z1 der Schaltung 2 angeschlossen, insbesondere direkt. Der erste Schaltungszweig Z1 ist zwischen den ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a und den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b des Eingangs 3 der Schaltung 2 geschaltet.
Exemplarisch ist der erste Eingangs-Anschlusspunkt 12a über eine erste Diode D1 an dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a angeschlossen. Die erste Diode D1 ist insbesondere als Z-Diode ausgeführt. Die Schaltung 2 ist ausgebildet, eine Änderung, insbesondere eine Schwankung, der Versorgungsspannung U1 auf die Eingangsspannung des Erzeugungsabschnitts-Eingangs 12 weiterzugeben, exemplarisch über die erste Diode D1.
Der zweite Eingangs-Anschlusspunkt 12b des Taktsignal-Erzeugungsabschnitts 4 ist an den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b angeschlossen, insbesondere direkt.
Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 umfasst einen Erzeugungsabschnitt-Ausgang 14 mit einem ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 14a und einem zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 14b. Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 ist ausgebildet, an dem ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 14a das Taktsignal TS auszugeben.
Der erste Ausgangs-Anschlusspunkt 14a ist mit dem Steueranschluss G des Schalters 5 elektrisch verbunden, exemplarisch über einen fünften Widerstand R5.
Der zweite Ausgangs-Anschlusspunkt 14b liegt exemplarisch auf dem gleichen elektrischen Potenzial wie der zweite Eingangs-Anschlusspunkt 12b.
Bevorzugt umfasst der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 einen Komparator KO1, der exemplarisch als Operationsverstärker ausgeführt ist. Der Komparator KO1 stellt an seinem Komparator-Ausgang KA das Taktsignal TS bereit. Exemplarisch ist der Komparator-Ausgang KA der erste Ausgangs-Anschlusspunkt 14a des Erzeugungsabschnitt-Ausgangs 14.
Der Komparator KO1 verfügt exemplarisch über einen nicht-invertierenden Eingang 15 und über einen invertierenden Eingang 16. Der nicht-invertierende Eingang 15 ist elektrisch mit dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 12a verbunden, exemplarisch über einen zweiten Widerstand R2. Der invertierende Eingang 16 ist elektrisch mit dem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 12b verbunden, exemplarisch über einen ersten Kondensator C1.
Bevorzugt umfasst der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 einen positiven Rückkopplungspfad für den Komparator KO1. Der positive Rückkopplungspfad verläuft exemplarisch von dem Komparator-Ausgang KA zu dem nicht-invertierenden Eingang 15, exemplarisch über einen ersten Widerstand R1.
Bevorzugt umfasst der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 einen negativen Rückkopplungspfad für den Komparator KO1. Der negative Rückkopplungspfad verläuft exemplarisch von dem Komaparator-Ausgang KA zu dem invertierenden Eingang 16, exemplarisch über einen dritten Widerstand R3.
Bevorzugt definiert der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 eine Hysterese für den Komparator KO1. Exemplarisch wird die Hysterese durch den ersten Widerstand R1 definiert.
Exemplarisch umfasst der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 einen RC-Pfad, der von dem Komparator-Ausgang KA zu dem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 12b verläuft. Der RC-Pfad verläuft über den dritten Widerstand R3 und den ersten Kondensator C1. Der dritte Widerstand R3 ist zwischen den Komparator-Ausgang KA und den invertierenden Eingang 16 geschaltet.
Der Komparator KO1 gibt an seinem Komparator-Ausgang KA das Taktsignal TS als PWM-Signal aus, dessen Tastverhältnis von der am Erzeugungsabschnitt-Eingang 12 anliegenden Eingangsspannung bestimmt wird. Bei steigender Eingangsspannung erhöht sich das Tastverhältnis und bei sinkender Eingangsspannung verringert sich das Tastverhältnis.
Die Schaltung 2 umfasst den Schalter 5. Der Schalter 5 ist beispielsweise ein erster Transistor T1. Über den Schalter 5 ist die Spule L1 mit dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 elektrisch verbindbar, um die Spule L1 zu bestromen. Die Schaltung 2 ist ausgebildet, den Schalter 5 auf Basis des Taktsignals TS anzusteuern, um die getaktete Bestromung der Spule L1 bereitzustellen.
Bevorzugt ist der Schalter 5 als invertierender Schalter, insbesondere als p-Kanal-MOSFET, ausgeführt. Insbesondere bewirkt ein High-Pegel am Steueranschluss G, dass der Schalter 5 ein nicht-leitenden Zustand einnimmt, und ein Low-Pegel am Steueranschluss G bewirkt, dass der Schalter 5 einen leitenden Zustand einnimmt.
Bevorzugt ist die Schaltung 2 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung U1 sinkt, das Tastverhältnis des Taktsignals TS zu reduzieren, um eine Erhöhung des Tastverhältnisses der Spulenspannung zu bewirken, und/oder in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung U1 steigt, das Tastverhältnis des Taktsignals TS zu erhöhen, um eine Reduzierung des Tastverhältnisses der Spulenspannung zu bewirken.
Bevorzugt umfasst der Magnetaktuator 10 ein Zeitglied 6, das eine Anzugs-Phase AP definiert. Die Schaltung 2 ist ausgebildet, in der Anzugsphase AP eine insbesondere nicht-getaktete Anzugs-Bestromung der Spule L1 bereitzustellen, um das Aktorglied 1 in die angezogene Stellung zu versetzen. Die Schaltung 2 ist ferner ausgebildet nach Ende der Anzugs-Phase AP (in der Haltestromabsenkungs-Phase HP) die getaktete Bestromung der Spule L1 bereitzustellen, um das Aktorglied 1 in der angezogenen Stellung zu halten.
Bevorzugt verfügt die Schaltung 2 über den ersten Schaltungszweig Z1, der parallel zu dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 geschaltet ist. In dem ersten Schaltungszweig Z1 sind die erste Diode D1 und das Zeitglied 6 geschaltet. Der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt 4 ist über die erste Diode D1 mit dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 verbunden.
Das Zeitglied 6 verfügt über einen Zeitglied-Eingang 17 mit einem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 17a und einem zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 17b. Exemplarisch ist der Zeitglied-Eingang 17 in dem ersten Schaltungszweig Z1 geschaltet, und zwar insbesondere in Reihe zu der ersten Diode D1. Der erste Eingangs-Anschlusspunkt 17a ist an der Anode der ersten Diode D1 und an dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 12a des Erzeugungsabschnitt-Eingangs 12 angeschlossen. Der zweite Eingangs-Anschlusspunkt 17b ist an den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 3b des Versorgungsspannungs-Eingangs 3 angeschlossen.
Das Zeitglied 6 umfasst einen sechsten Widerstand R6 und eine zweite Diode D2, die in Reihe zwischen den ersten Eingangs-Anschlusspunkt 17a und den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 17b geschaltet sind. Die zweite Diode D2 ist mit ihrer Kathode an den sechsten Widerstand R6 angeschlossen. Insbesondere ist die zweite Diode D2 als Z-Diode ausgebildet und wird vorzugsweise in Sperrrichtung betrieben.
Das Zeitglied 6 umfasst ferner einen zweiten Kondensator C2 sowie einen zweiten Transistor T2. Der zweite Transistor T2 ist exemplarisch als n-Kanal-MOSFET ausgeführt. Der zweite Kondensator C2 ist zwischen die Kathode der zweiten Diode D2 und einen Gate-Anschluss des zweiten Transistors T2 geschaltet.
Das Zeitglied 6 umfasst ferner einen siebten Widerstand R7, der zwischen den Gate-Anschluss und den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 17b geschaltet ist, sowie eine parallel zum siebten Widerstand R7 geschaltete dritte Diode D3.
Das Zeitglied 6 umfasst einen Zeitglied-Ausgang 18 mit einem ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 18a und einem zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 18b. Der erste Ausgangs-Anschlusspunkt 18a ist exemplarisch der Drain-Anschluss des zweiten Transistors T2. Der erste Ausgangs-Anschlusspunkt 18a ist exemplarisch an den Steueranschluss G des Schalters 5 angeschlossen. Der zweite Ausgangs-Anschlusspunkt 18b ist exemplarisch der Source-Anschluss des zweiten Transistors T2. Der zweite Ausgangs-Anschlusspunkt 18b ist exemplarisch an den zweiten Eingangs-Anschlusspunkt 12b des Erzeugungsanschluss-Eingangs 12 angeschlossen.
Das Zeitglied 6 ist ausgebildet, in Ansprechen auf ein Anlegen der Versorgungsspannung U1 an dem Versorgungsspannungs-Eingang 3 - also insbesondere in Ansprechen darauf, dass an dem ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3b ein Wechsel von einem Low-Pegel zu einem High-Pegel erfolgt - am ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 18a eine vorbestimmte Zeitdauer lang (während der Anzugs-Phase AP) einen Low-Pegel bereitzustellen und nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer einen High-Pegel bereitzustellen. Die vorbestimmte Zeitdauer ist die Zeitdauer der Anzugs-Phase AP und kann auch als Anzugs-Phase-Zeitdauer bezeichnet werden. Der in der Anzugs-Phase AP bereitgestellte Low-Pegel bewirkt, dass der Schalter 5 in der Anzugs-Phase AP den leitenden Zustand einnimmt (insbesondere kontinuierlich während der gesamten Anzugs-Phase AP), so dass die Spule L1 bestromt wird, und zwar insbesondere kontinuierlich.
Exemplarisch ist der zweite Transistor T2 während der Anzugs-Phase leitend und nach Ablauf der Anzugs-Phase nicht-leitend.
Die 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I1. In der Anzugs-Phase AP steigt der Spulenstrom I1 exemplarisch monoton an. Insbesondere hat der zeitliche Verlauf des Spulenstroms I1 in der Anzugs-Phase AP die Form von beschränktem Wachstum.
Nach Ablauf der Anzugs-Phase AP, insbesondere unmittelbar nach Ablauf der Anzugs-Phase AP, geht die Schaltung 2 in die Haltestromabsenkungs-Phase HP über. In der Haltestromabsenkungs-Phase ist der Spulenstrom I1 gegenüber dem Maximalwert des Spulenstroms I1 in der Anzugs-Phase AP reduziert.
In der Haltestromabsenkungs-Phase HP ist der zweite Transistor T2 nicht-leitend, so dass das Potential des Steueranschlusses G von dem Taktsignal TS bestimmt wird. Dementsprechend wird in der Haltestromabsenkungs-Phase HP der Schalter 5 abwechselnd in den leitenden Zustand und den nicht-leitenden Zustand versetzt, um den zeitlichen Mittelwert des Spulenstroms I1 gegenüber der Anzugs-Phase zu reduzieren.
Bevorzugt umfasst die Schaltung 2 einen vierten Widerstand R4, der zwischen den ersten Eingangs-Anschlusspunkt 3a des Versorgungsspannungs-Eingangs 3 und den Steueranschluss G geschaltet ist. Der vierte Widerstand R4 dient dazu, dass der Steueranschluss G auf den High-Pegel gezogen wird (wenn der Steueranschluss G nicht über den zweiten Transistor T2 oder das Taktsignal TS auf den Low-Pegel gezogen wird). Der vierte Widerstand R4 ist insbesondere ein Pull-Up-Widerstand für den Steueranschluss G.
Bevorzugt umfasst die Schaltung 2 den fünften Widerstand R5. Der fünfte Widerstand R5 dient exemplarisch dazu, zu verhindern, dass der Komparator-Ausgang KA kurzgeschlossen wird, wenn der zweite Transistor T2 in den leitenden Zustand versetzt wird.
Die Schaltung 2 umfasst ferner einen Freilaufkreis 19. Der Freilaufkreis 19 ist parallel zu der Spule L1 geschaltet. Der Freilaufkreis 19 dient dazu, Spannungsspitzen zu vermeiden. Der Freilaufkreis 19 ist ausgebildet, die Energie der Spule L1 desto schneller abzubauen, je höher die Spulenspannung ist. Zweckmäßigerweise ist der Freilaufkreis 19 ferner ausgebildet, in der Haltestromabsenkungs-Phase HP - also insbesondere während einem PWM-Betrieb des Schalters 5 - die Energie der Spule L1 langsamer abzubauen, als in einem AusZustand, der vorliegt, wenn die Versorgungsspannung U1 abgeschaltet wird.
Der Freilaufkreis 19 umfasst eine vierte Diode D4, eine fünfte Diode D5 und einen dritten Transistor T3, der exemplarisch als Bipolartransistor, insbesondere als NPN-Transistor, ausgeführt ist. Die vierte Diode D4 ist mit ihrer Kathode an dem ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 8a angeschlossen und mit ihrer Anode an der Anode der fünften Diode D5. Die fünfte Diode D5 ist mit ihrer Kathode an dem zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 8b angeschlossen. Der dritte Transistor T3 ist mit seinem Emitter an der Anode der vierten Diode D4 angeschlossen und mit seinem Kollektor an dem zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 8b.
Der Freilaufkreis 19 umfasst ferner einen achten Widerstand R8, der zwischen den ersten Ausgangs-Anschlusspunkt 8a und der Basis des Transistors T3 geschaltet ist, sowie einen dritten Kondensator C3, der zwischen die Basis des Transistors T3 und den zweiten Ausgangs-Anschlusspunkt 8b geschaltet ist.
Bevorzugt wird der Magnetaktuator 10 in einer Ventilanordnung 20 verwendet, beispielsweise zur Betätigung eines Vorsteuerventils.
Die 3 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung einer Ventilanordnung 20 in einer Frontansicht. In der 4 ist die Ventilanordnung 20 in einer Seitenansicht gezeigt.
Die Ventilanordnung 20 umfasst den Magnetaktuator 10. Das Aktorglied 1 ist als Ventilglied ausgeführt oder dient zur Aktuierung eines Ventilglieds der Ventilanordnung 20.
Exemplarisch umfasst die Ventilanordnung 20 einen Trägerabschnitt 21, der beispielsweise als Trägerplatte ausgeführt ist, sowie eine Mehrzahl von auf dem Trägerabschnitt 21 nebeneinander angeordneten Ventilmodulen 22 .
Exemplarisch ist die Schaltung 2 in dem Trägerabschnitt 21 angeordnet. Der Magnetaktuator-Abschnitt 11 ist exemplarisch in einem Ventilmodul 22 angeordnet. Rein exemplarisch umfasst das Ventilmodul 22 einen Vorsteuerabschnitt 23, der beispielsweise als Untermodul des Ventilmoduls 22 ausgeführt ist. Der Magnetaktuator-Abschnitt 11 ist exemplarisch in dem Vorsteuerabschnitt 23 angeordnet.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform ist die Schaltung 2 in dem Ventilmodul 22, insbesondere in dem Vorsteuerabschnitt 23 angeordnet.

Claims

Magnetaktuator (10) mit einem Aktorglied (1), einer Spule (L1) zur Betätigung des Aktorglieds (1), sowie einer Schaltung (2) zur Bestromung der Spule (L1), wobei die Schaltung (2) über einen Versorgungsspannungs-Eingang (3) verfügt, an dem eine Versorgungsspannung (U1) für die Bestromung der Spule (L1) anlegbar ist, und wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, in einer Haltestromabsenkungs-Phase (HP) eine getaktete Bestromung der Spule (L1) bereitzustellen und in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (U1) ein Tastverhältnis der getakteten Bestromung anzupassen.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (2) einen Spannungsteiler umfasst, der parallel zu dem Versorgungsspannungs-Eingang (3) geschaltet ist und ausgebildet ist, eine Zwischenspannung bereitzustellen, und wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, in der Haltestromabsenkungsphase (HP) das Tastverhältnis auf Basis der Zwischenspannung anzupassen.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 2, wobei der Spannungsteiler ein nicht-lineares Bauteil mit einer nicht-linearen Strom-Spannungskennlinie aufweist, insbesondere eine erste Diode (D1) .
Magnetaktuator (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, wenn sich die Versorgungsspannung (U1) ändert, über die Anpassung des Tastverhältnisses eine Änderung eines zeitlichen Mittelwerts eines durch die Spule (L1) fließenden Stroms (I1) zu verringern oder zu verhindern.
Magnetaktuator (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung (U1) sinkt, das Tastverhältnis zu erhöhen und/oder in Ansprechen darauf, dass die Versorgungsspannung (U1) steigt, das Tastverhältnis zu verringern.
Magnetaktuator (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Schaltung (2) ausschließlich in analoger Schaltungstechnik ausgeführt ist.
Magnetaktuator (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Schaltung (2) einen Taktsignal-Erzeugungsabschnitt (4) zur Erzeugung eines Taktsignals (TS) umfasst, das dazu dient, die Bestromung der Spule (L1) zu takten, um die getaktete Bestromung bereitzustellen.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 7, wobei die Schaltung (2) einen Schalter (5), insbesondere einen ersten Transistor (T1), umfasst, über den die Spule (L1) zur Bestromung der Spule (L1) mit dem Versorgungsspannungs-Eingang (3) elektrisch verbindbar ist, und die Schaltung (2) ausgebildet ist, den Schalter (5) auf Basis des Taktsignals (TS) anzusteuern, um die getaktete Bestromung der Spule (L1) bereitzustellen.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt (4) einen Komparator (KO1) umfasst, der an seinem Komparator-Ausgang das Taktsignal (TS) bereitstellt.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 9, wobei der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt (4) einen positiven Rückkopplungspfad für den Komparator (KO1) umfasst.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt (4) eine Hysterese für den Komparator (KO1) definiert.
Magnetaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Zeitglied (6), das eine Anzugsphase (AP) definiert, wobei die Schaltung (2) ausgebildet ist, in der Anzugsphase (AP) eine insbesondere nicht-getaktete Anzugs-Bestromung der Spule (L1) bereitzustellen, um das Aktorglied (1) in eine angezogene Stellung zu versetzen, und nach Ende der Anzugsphase (AP) die getaktete Bestromung der Spule (L1) bereitzustellen, um das Aktorglied (1) in der angezogenen Stellung zu halten.
Magnetaktuator (10) nach Anspruch 12 in Kombination mit einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Schaltung (2) über einen ersten Schaltungszweig (Z1) verfügt, der parallel zu dem Versorgungsspannungs-Eingang (3) geschaltet ist, wobei in dem ersten Schaltungszweig (Z1) eine erste Diode (D1) und das Zeitglied (6) geschaltet sind und der Taktsignal-Erzeugungsabschnitt (4) über die erste Diode (D1) mit dem Versorgungsspannungs-Eingang (3) verbunden ist.
Ventilanordnung (20), umfassend einen Magnetaktuator (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Aktorglied (1) als Ventilglied ausgeführt ist oder zur Aktuierung eines Ventilglieds der Ventilanordnung (20) dient.
Ventilanordnung (20) nach Anspruch 14, umfassend einen Trägerabschnitt und eine Mehrzahl von auf dem Trägerabschnitt nebeneinander angeordneten Ventilmodulen, wobei die Schaltung in einem Ventilmodul oder in dem Trägerabschnitt angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Magnetaktuators (10) mit einem Aktorglied (1), einer Spule (L1) zur Betätigung des Aktorglieds (1), sowie einer Schaltung (2) zur Bestromung der Spule (L1), wobei die Schaltung (2) über einen Versorgungsspannungs-Eingang (3) verfügt, umfassend die Schritte: - Anlegen, an den Versorgungsspannungs-Eingang (3), einer Versorgungsspannung (U1) für die Bestromung der Spule (L1), - in einer Haltestromabsenkungs-Phase (HP), Bereitstellen einer getakteten Bestromung der Spule (L1) mittels der Schaltung (2) und - in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (U1), Anpassen eines Tastverhältnisses der getakteten Bestromung mittels der Schaltung (2).