DE19501766A1

DE19501766A1 - Control of proportional solenoid with movable element

Info

Publication number: DE19501766A1
Application number: DE1995101766
Authority: DE
Inventors: Mehmet-Fatih Dipl Ing Sen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-01-21
Filing date: 1995-01-21
Publication date: 1996-07-25

Abstract

The coil (100) of the electromagnet draws current from the DC supply (Ubat) when a transistor switch (110) in series with a current-measuring resistor (120) is turned on by a current regulator (200). A set-point (HS) for the position of the armature is combined (170) with a measure of the actual position (HI) obtd. from a memory (150) contg. the relationship between magnetic flux density and armature position, with the current as parameter. The flux density is measured by a sensor (160) and the current (II) is derived (130) from the emitter voltage drop. A position regulator (190) determines a set-point current for comparison (140).

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers. In hydraulischen Ventilen und Vorstufenventilen werden zur ste tigen Verstellung eines Drosselquerschnitts u. a. elektro magnetische Verbraucher, die ein bewegliches Element umfas sen, eingesetzt. Diese Verbraucher werden üblicherweise als Proportionalmagnetventile bezeichnet, dessen Anker gegen ei ne Feder arbeitet.The invention relates to a method and a device to control an electromagnetic consumer. In hydraulic valves and pre-stage valves become the first term adjustment of a throttle cross section u. a. electro magnetic consumer, which comprises a movable element sen, used. These consumers are usually called Proportional solenoid valves called, the armature against egg ne spring works.

Aufgrund des eingespeisten Spulenstroms erzeugt der Propor tionalmagnet eine Ankerkraft, die zusammen mit der Feder kraft in einer bestimmten Position des Ankers ein Kräfte gleichgewicht bilden. Je nach Bestromung der Spule kann auf diese Art und Weise jede beliebige Position des Ankers in nerhalb definierter Grenzen angefahren werden. Die einge stellte Position bestimmt dabei den hydraulischen Drossel querschnitt des Ventils.The Propor generates on the basis of the fed coil current tionalmagnet an anchor force that together with the spring forces in a certain position of the anchor create balance. Depending on the current supply to the coil can this way in any position of the anchor can be approached within defined limits. The turned position determines the hydraulic throttle cross section of the valve.

Da an den Drosselquerschnitten des Ventils Volumenströme fließen, verursachen diese hydraulische Strömungskräfte. Die Strömungskräfte wirken je nach Anordnung des Magneten, ent weder in Richtung der Magnetkraft oder entgegengesetzt dazu. Diese Strömungskräfte stören das Kräftegleichgewicht zwi schen Magnet und Feder, so daß die Strömungskräfte je nach Größe und Richtung, die aktuelle Position verschieben und damit den Drosselquerschnitt ändern.Because of the flow cross-sections of the valve flow, they cause hydraulic flow forces. The Depending on the arrangement of the magnet, flow forces act neither in the direction of the magnetic force nor in the opposite direction. These flow forces disrupt the balance of forces between rule magnet and spring, so that the flow forces depending on Size and direction, move the current position and thus changing the throttle cross section.

Wenn eine derartige Änderung des Drosselquerschnitts nicht zugelassen werden kann, werden diese Ventile mit einem Wegsensor ausgestattet, der den gewünschten Drosselquer schnitt durch eine Stellungsregelung sicherstellt. Diese Wegsensoren sind sehr teuer, und erfordern einen erheblichen Aufwand bei der Montage, beim mechanischen Abgleich und bei der Temperaturkompensation. Desweiteren beanspruchen diese Sensoren einen erheblichen Bauraum.If such a change in the throttle cross-section is not These valves can be approved with a Displacement sensor equipped that the desired throttle cross through a position control. These Displacement sensors are very expensive and require a considerable amount Effort for assembly, mechanical adjustment and temperature compensation. Furthermore, these claim Sensors a considerable amount of space.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah ren und einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektro magnetischen Verbrauchers der eingangs genannten Art, den Wegsensor einzusparen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.The invention is based, to a method ren and a device for controlling an electro magnetic consumer of the type mentioned, the Saving distance sensor. This task is carried out in the Features characterized independent claims solved.

Advantages of the invention

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann der Wegsensor eingespart werden bei gleichzeitiger genauer Positionierung des Ankers des Verbrauchers.With the procedure according to the invention, the displacement sensor can be saved with precise positioning at the same time the anchor of the consumer.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet. Advantageous and practical refinements and training The invention is characterized in the subclaims draws.

drawing

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained. Show it

Fig. 1 den Aufbau eines Proportionalmagnets, Fig. 2 und 3 ver schiedene Kennlinien des Proportionalmagnets und Fig. 4 die erfindungsgemäße Einrichtung zur Einstellung der Position des Ankers. Fig. 1 shows the structure of a proportional magnet, Fig. 2 and 3 ver different characteristics of the proportional magnet and Fig. 4, the inventive device for adjusting the position of the armature.

Description of the embodiments

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Proportionalmagneten bei spielhaft dargestellt. Der Proportionalmagnet besteht im we sentlichen aus einer Spule 15, einem Pol 16, einem Joch 17, einem Deckel 18 und einem Anker 19. Der Anker ist mit einem Ventilstößel 8 verpreßt und im Pol 16 bzw. im Joch 17 über Buchsen 20 und 21 verschiebbar gelagert. Diese Anordnung ist in einem Gehäuse 22 angeordnet. Das Gehäuse 22, der Pol 16 und das Joch 17 bilden einen Eisenkreis in dem sich der magnetische Fluß ausbreitet. An jeder Stelle dieses Kreises kann ein Sensor 30 zur Messung der magnetische Flußdichte angeordnet sein. In Fig. 1 ist dieser Sensor in einem Spalt des Gehäuses 22 angeordnet.In Fig. 1, the structure of a proportional magnet is shown in a playful manner. The proportional magnet consists essentially of a coil 15 , a pole 16 , a yoke 17 , a cover 18 and an armature 19th The armature is pressed with a valve tappet 8 and is displaceably mounted in the pole 16 or in the yoke 17 via bushings 20 and 21 . This arrangement is arranged in a housing 22 . The housing 22 , the pole 16 and the yoke 17 form an iron circle in which the magnetic flux spreads. A sensor 30 for measuring the magnetic flux density can be arranged at any point in this circle. In Fig. 1, this sensor is arranged in a gap in the housing 22 .

Mit einer solchen Anordnung ergibt sich die in Fig. 2 dar gestellte Kraft-Wegkennlinie. Entsprechende Kennlinien kön nen auch mit anderen Anordnungen erzielt werden. In Fig. 2 ist über dem Ankerhub H, der in Millimeter aufgetragen ist, die Magnetkraft F in Newton [N] aufgetragen. Es sind ver schiedene Kennlinien für verschiedene Ströme I, die durch die Spule 15 fließen, aufgetragen. Bei wachsendem Strom er gibt sich eine größere Magnetkraft. Über dem Hub ist die Magnetkraft bei konstantem Strom über einen gewissen Hubbe reich konstant. Dieser lineare Arbeitsbereich ist in Fig. 2 mit einem Pfeil markiert. Außerhalb dieses linearen Arbeits bereiches, der sich über einen Hubbereich von 0 bis ca. 0,9 mm erstreckt, fällt der Strom über dem Hub ab. Desweiteren ist in Fig. 2 die Federkennlinie mit einer gestrichelten Linie eingetragen.With such an arrangement, the force-displacement characteristic curve shown in FIG. 2 results. Corresponding characteristics can also be achieved with other arrangements. In Fig. 2, above the armature stroke H, which is plotted in millimeters applied, the magnetic force F in Newton [N]. There are different characteristics for different currents I flowing through the coil 15 , plotted. As the current increases, there is a greater magnetic force. Over the stroke, the magnetic force is constant at a constant current over a certain stroke range. This linear work area is marked with an arrow in FIG. 2. Outside of this linear working range, which extends over a stroke range of 0 to approx. 0.9 mm, the current drops over the stroke. Furthermore, the spring characteristic is entered in FIG. 2 with a dashed line.

In Fig. 3 ist über dem Hub H der verkettete magnetische Fluß Ψ aufgetragen. Im linearen Arbeitsbereich, der eben falls mit einem Pfeil markiert ist, zwischen 0 und ca. 1 mm Hub ergeben sich bei konstantem Strom II über dem Hub fal lende Kennlinien. Das bedeutet, daß der magnetische Fluß bei steigendem Hub H abnimmt. Bei steigendem Strom steigt der verkettete magnetische Fluß an.In FIG. 3, the interlinkage magnetic flux Ψ is plotted over the stroke H. In the linear working range, which is also marked with an arrow, between 0 and approx. 1 mm stroke, characteristic curves falling at constant current II result over the stroke. This means that the magnetic flux decreases as the stroke H increases. As the current increases, the chained magnetic flux increases.

Mit gestrichelten Linien ist angedeutet, daß sich für einen bestimmten magnetischen Fluß und einen bestimmten Stromwert eine bestimmte Stellung des Ankers ergibt.With dashed lines it is indicated that for one certain magnetic flux and a certain current value results in a specific position of the anchor.

Beim Proportionalmagnet ergibt sich innerhalb seiner Ankerendlage (Hubbereich zwischen 0 und 1 mm) ein Bereich, der abhängig von der Polgeometrie, zwischen Magnetkraft und Ankerweg, mit dem Spulenstrom als Parameter, einen linearen Zusammenhang aufweist. Die Federkennlinie (gestrichelte Linie in Fig. 2) schneidet die Magnetkraftkennlinien in ei nem bestimmten Punkt. In diesem Punkt herrscht ein Kräfte gleichgewicht zwischen Magnetkraft und Federkraft. Der Anker kommt in dieser Position zum stehen. Strömungskräfte zerstö ren dieses Kräftegleichgewicht, indem sich die Strömungs kräfte, je nach Anordnung des Magneten entweder zur Magnet kraft oder zur Federkraft dazu addieren. Das Kräftegleich gewicht stellt sich nun in einer anderen Position ein.With the proportional magnet there is an area within its armature end position (stroke range between 0 and 1 mm) which, depending on the pole geometry, between magnetic force and armature travel, has a linear relationship with the coil current as a parameter. The spring characteristic (dashed line in Fig. 2) intersects the magnetic force characteristics at a certain point. At this point there is an equilibrium of forces between magnetic force and spring force. The anchor stops in this position. Flow forces destroy this balance of forces by adding the flow forces, depending on the arrangement of the magnet, either to the magnetic force or to the spring force. The balance of power is now in a different position.

In Fig. 3 ergibt sich innerhalb eines bestimmten Bereichs, dem linearen Arbeitsbereich des Magneten, ein nahezu linea rer Zusammenhang zwischen verkettetem magnetischen Fluß und Ankerposition, mit dem Spulenstrom I als Parameter. Erfin dungsgemäß wurde erkannt, daß durch Erfassen des magneti schen Flusses sich bei bekanntem Spulenstrom die Position des Ankers bzw. der Hub des Ankers eindeutig bestimmten läßt. Der verkettete magnetische Fluß ist direkt proportio nal zur magnetischen Flußdichte.In Fig. 3 results within a certain range, the linear working range of the magnet, an almost linear relationship between chained magnetic flux and armature position, with the coil current I as a parameter. Invention according to the invention was recognized that the position of the armature or the stroke of the armature can be clearly determined with a known coil current by detecting the magnetic flux. The chained magnetic flux is directly proportional to the magnetic flux density.

Die magnetische Flußdichte oder eine entsprechende Größe kann mit Hilfe geeigneter Sensoren 30 erfaßt werden. Hierzu eignet sind insbesondere ein Feldplatte oder ein Hall-Sensor. Der Sensor kann an geeigneter Stelle im Magnet kreis angeordnet werden. Prinzipiell kann er an jeder Stelle des Eisenkreises angeordnet werden. In Fig. 1 ist beispiel haft eine Möglichkeit der Anordnung eines solchen Sensors 30, beispielsweise eine Feldplatte dargestellt. Ein solcher Sensor ist wesentlich kleiner als ein Wegsensor. Ein Ventil mit einem solchen Sensor weist wesentlich kleinere Abmessun gen auf, wie ein entsprechendes Ventil mit einem Wegsensor.The magnetic flux density or a corresponding size can be detected with the aid of suitable sensors 30 . A field plate or a Hall sensor are particularly suitable for this. The sensor can be arranged at a suitable point in the magnetic circuit. In principle, it can be placed at any point in the iron circle. In Fig. 1 is an example of a possibility of arrangement of such a sensor 30, for example shows a field plate. Such a sensor is significantly smaller than a displacement sensor. A valve with such a sensor has significantly smaller dimensions, like a corresponding valve with a displacement sensor.

Bei Bedarf kann durch die Verwendung von speziellen weichmagnetischen Werkstoffen, die Temperaturabhängigkeit der Permiabilität kompensiert werden, um den Einfluß der Temperatur auf den magnetischen Fluß zu minimieren. So kön nen beispielsweise Werkstoffe gewählt werden, deren Permiabilität in einem weiteren Temperaturbereich unabhängig von der Temperatur ist.If necessary, by using special soft magnetic materials, the temperature dependence the permeability to be compensated for the influence of the To minimize temperature on the magnetic flux. So can NEN materials are selected, for example Permiability independent in a wide temperature range of the temperature is.

In Fig. 4 ist schematisch als Blockdiagramm die Vorrichtung zur Steuerung des Proportionalmagneten dargestellt. Mit 100 ist die Spule des Magneten dargestellt. Ein erster Anschluß der Spule steht direkt mit einer Versorgungsspannung Ubat in Verbindung. Ein zweiter Anschluß steht über ein Schaltmittel 110 und ein Strommeßmittel 120 mit einem Masseanschluß in Verbindung.In Fig. 4, the device for controlling the proportional magnet is shown schematically as a block diagram. The coil of the magnet is shown at 100 . A first connection of the coil is directly connected to a supply voltage Ubat. A second connection is connected to a ground connection via a switching means 110 and a current measuring means 120 .

Als Schaltmittel wird vorzugsweise ein Transistor insbeson dere eine Feldeffekttransistor eingesetzt. Als Strommeßmit tel dient insbesondere ein ohmscher Widerstand. An den bei den Anschlüssen des ohmschen Widerstands werden die Span nungswerte abgegriffen und zu einer Stromauswertung 130 ge leitet. Die Stromauswertung 130 bestimmt ausgehend von dem Spannungsabfall an dem ohmschen Widerstand 120 den durch die Spule fließenden Strom II. Dieses Signal wird zum einen zu einem Verknüpfungspunkt 140 und zum anderen zu einer Positionsberechnung 150 geleitet. Die Positionsberechnung verarbeitet desweiteren das Ausgangssignal des Sensors 160 zur Erfassung der Flußdichte B im Proportionalmagnet.A transistor, in particular a field effect transistor, is preferably used as the switching means. An ohmic resistor is used in particular as a current measuring means. The voltage values are tapped off at the connections of the ohmic resistor and passed to a current evaluation 130 . Starting from the voltage drop across the ohmic resistor 120, the current evaluation 130 determines the current II flowing through the coil. This signal is passed on the one hand to a connection point 140 and on the other hand to a position calculation 150 . The position calculation also processes the output signal of the sensor 160 to detect the flux density B in the proportional magnet.

Mit dem Ausgangssignal der Positionsberechnung 150 wird ein weiterer Verknüpfungspunkt 170 beaufschlagt. Am zweiten Ein gang des Verknüpfungspunktes 170 liegt mit positiven Vorzei chen das Ausgangssignal HS einer Hubsollwertvorgabe 180. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 170 wird ein Hub regler 190 beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Hubreglers 190 gelangt mit positiven Vorzeichen zu dem Verknüpfungs punkt 140, dessen Ausgangssignal zu einem Stromregler 200 gelangt. Der Stromregler wiederum beaufschlagt den Schalt eingang des Schaltmittels 110 mit Ansteuersignalen.A further connection point 170 is applied to the output signal of the position calculation 150 . At the second input of node 170 , the output signal HS of a stroke setpoint specification 180 lies with positive signs. With the output signal of node 170 , a stroke controller 190 is applied. The output signal of the stroke regulator 190 arrives with positive sign at the node 140 , the output signal of which reaches a current regulator 200 . The current controller in turn acts on the switching input of the switching means 110 with control signals.

Diese Einrichtung arbeitet nun wie folgt.This facility now works as follows.

Abhängig von der Anwendung des Proportionalmagneten gibt die Positionsvorgabe 180 einen Sollwert HS für die Position des Ankers des Proportionalmagneten vor. Erfindungsgemäße wird die tatsächliche Position HI des Ankers nicht direkt mittels eines Wegsensors erfaßt, sondern von der Positionsbestimmung 150 vorgegeben. In der Positionsbestimmung 150 ist der Zu sammenhang zwischen dem magnetischen Fluß bzw. der Flußdich te B und der Ankerposition mit dem Strom als Parameter abge legt. Ausgehend von dem magnetischen Fluß bzw. der mittels des Sensors 160 erfaßten Flußdichte und dem von der Strom auswertung 130 bereitgestellten Strom II, bestimmt die Posi tionsbestimmung 150 die Position HI des Ankers. Am Ausgang der Positionsbestimmung 150 liegt dann ein Signal vor, das der Ankerposition entspricht. Depending on the application of the proportional magnet, the position specification 180 specifies a setpoint HS for the position of the armature of the proportional magnet. According to the invention, the actual position HI of the armature is not detected directly by means of a displacement sensor, but is predefined by the position determination 150 . In the position determination 150 , the relationship between the magnetic flux or the flux density B and the armature position with the current is stored as a parameter. Based on the magnetic flux or the flux density detected by the sensor 160 and the current II provided by the current evaluation 130 , the position determination 150 determines the position HI of the armature. A signal corresponding to the anchor position is then present at the output of the position determination 150 .

Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Sollwert HS und dem Istwert HI für die Ankerposition bestimmt der Positionsreg ler 190 einen Sollwert für den Strom IS. Der Stromregler 200 steuert abhängig von dem Vergleich zwischen dem Sollwert IS und dem Istwert II für den Strom das Schaltmittel entspre chend an.Based on the comparison between the setpoint HS and the actual value HI for the armature position, the position controller 190 determines a setpoint for the current IS. The current controller 200 controls the switching means accordingly depending on the comparison between the setpoint IS and the actual value II for the current.

Die beschriebene Vorgehensweise zur Gewinnung des Signals HI, das die Position des Ankers angibt, kann auch für andere Zwecke eingesetzt werden. So kann beispielsweise die Vorge hensweise dazu eingesetzt werden, um bei einem Schaltmagne ten, die Endlagen des Ankers zu erkennen.The procedure described for obtaining the signal HI, which indicates the position of the anchor, can also be used for others Purposes. For example, the pre way to be used for a switching magnet to recognize the end positions of the anchor.

Claims

1. A method for driving an electromagnetic consumer, which comprises a movable element, characterized in that the position of the movable element based on the current flowing through the consumer and a quantity detected by a sensor that identifies the magnetic flux , is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that based on the comparison between the determined Position and a desired position of the electricity controlled becomes.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that based on the comparison between the determined position and a desired position Setpoint for the current flowing through the consumer is given.

4. Device for controlling an electromagnetic Consumer, which comprises a movable element, thereby characterized in that means are provided which the position of the movable element based on the current flowing through the consumer flows and one by means of a sensor determined size, which characterizes the magnetic flux.

5. The device according to claim 5, characterized in that the consumer is a proportional magnet delt.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that size that characterizes the magnetic flux detected by means of a Hall sensor or a field plate becomes.

7. The device according to claim 5, characterized in that the consumer is a switching magnet, whose end positions are determined.