DE19521676A1 - Regelung des Anzuges eines Ankers eines Schaltmagneten und Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Regelung des Anzuges eines Ankers eines Schaltmagneten und Schaltanordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Bei elektromagnetischen Schaltmagneten, bei denen durch
Anzug oder Lösen eines Ankers ein Stellglied betätigt wird,
besteht häufig die Anforderung, hohe Schaltgeschwindigkeit
bei gleichzeitig hohen Schaltkräften zu realisieren. So
werden beispielsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen
an Verbrennungsmotoren Schaltanordnungen verwendet, die
aus einem auf das betreffende Ventil einwirkenden Magnet
anker bestehen, der durch Federkräfte seine Ruheposition
zwischen zwei Elektromagneten hat, der wechselweise durch
den einen oder anderen Elektromagneten angezogen und hierbei
in die eine oder andere Schaltstellung gebracht wird. Dies
entspricht dann bei Gaswechselventilen der Offen-Stellung
bzw. der Schließ-Stellung des Ventils. Zur Betätigung des
Ventils, d. h. zur Durchführung der Bewegung aus der einen
in die andere Schaltstellung wird der Haltestrom an der
haltenden Spule abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft
des Elektromagneten unter die Federkraft ab und der Anker
beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen.
Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird
die Bewegung des Ankers durch die Federkraft der gegenüber
liegenden Feder abgebremst. Um nun den Anker in der anderen
Schaltposition zu fangen und zu halten, wird der andere
Elektromagnet bestromt. Dieser "Fangvorgang" erfordert rela
tiv hohe Energien, die insbesondere bei hohen Schaltfrequen
zen zu relativ großen Leistungsaufnahmen und somit zu einem
hohen Energieverbrauch führen, der bei der Verwendung an
einem Kraftfahrzeug zur Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs
führt.
Zur Senkung der Energieaufnahme wurde in DE-A-39 23 477.0
vorgeschlagen, jeweils am "fangenden Magneten" den Erreger
strom vor dem Auftreffen des Ankers abzusenken und hierbei
über einen gewissen Zeitraum konstant zu halten, um so eine
Reduktion der vom Bordnetz aufzubringenden Leistung zu er
zielen. Die Konstantstromreglung hat jedoch den Nachteil,
daß an dem Regeltransistor ein Spannungsabfall entsteht,
der zu Verlusten führt. Diese Verluste sind besonders hoch,
wenn der Spulenwiderstand relativ niedrig und die Versor
gungsspannung vergleichsweise hoch vorgegeben werden muß.
Diese Vorgaben sind jedoch nötig, um schnelle Stromanstiegs
zeiten sicherzustellen, so daß gewährleistet ist, daß zum
Auftreffzeitpunkt des Ankers auf der Polfläche des fangenden
Magneten das gewünschte konstante Stromniveau erreicht wird.
Um die hierdurch bedingten Verluste zu vermeiden, wurde
in DE-A-39 23 477.0 bereits vorgeschlagen, in der Konstant
stromphase den Strom nicht linear zu halten sondern zu tak
ten. Die Taktung muß jedoch zum Zeitpunkt des erwarteten
Auftreffens des Ankers abgeschaltet werden, um den Zeitpunkt
des Auftreffens überhaupt erkennen zu können. Bei großen
Schwankungsbreiten des erwarteten Auftreffzeitpunktes muß
demnach zu einem erheblichen Teil der Zeit der Strom linear,
also verlustbehaftet geregelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromregel
verfahren zu finden, das einerseits energiesparend ist,
das aber trotzdem eine Auftrefferkennung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
durch Umschalten auf die niedrigstverfügbare Versorgungs
spannung UV eine Mittelspannung UZ gebildet wird, die zur
Regelung eines Stromes IS zum Aufbau des Magnetfeldes des
Elektromagneten ausreicht. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß durch Umschaltvorgänge im Bereich der Versorgungsspan
nung für die Spule des Elektromagneten der Stromverbrauch
reduziert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vor
gesehen, daß die Mittelspannung UZ nur geringfügig über
dem zur Regelung des Stroms IS notwendigen Wert liegt und
durch Taktung zwischen einem unteren Wert U₁ und einem
oberen Wert U₂ gebildet wird. Diese Regelung hat den Vorteil,
daß der Fang- und Haltestrom für den Anker während der ge
samten Bestromungszeit ebenfalls getaktet wird, so daß zum
Fangen und Halten des Ankers entsprechend der Taktung im
Vergleich zu der vorbekannten Konstantstromregelung immer
nur ein Teil der Strommenge benötigt wird. Gleichwohl ist
eine Erkennung des Auftreffzeitpunktes ermöglicht, da der
Strom durch die Spule zumindestens in dem Zeitbereich des
zu erwartenden Auftreffens linear geregelt wird und somit
die durch die Annäherung des Ankers induzierte Gegenspannung
die Spannung in der Magnetspule vergrößert. Erst nach dem
Auftreffen des Ankers fällt die Spannung wieder auf ihren
ursprünglichen Wert ab, so daß aus der zum Auftreffzeitpunkt
bewirkten Spannungsänderung ein Signal abgeleitet werden
kann, das für die Ansteuerung der beiden Schaltmagneten
verwendet werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zu
einer energiesparenden Regelung eines Einstellglied betäti
genden Schaltmagneten mit einem linearen Stromregler, der
mit einem taktweise ansteuerbaren, mit wenigstens einer
Versorgungsspannungsquelle in Verbindung stehenden Span
nungsregler zur Erzeugung einer Mittelspannung UZ in Ver
bindung steht, wobei der Stromregler Mittel zum Umschalten
auf wenigstens zwei im Spannungswert verschiedene Spannungs
quellen oder zur Vorgabe des Wertes der Mittelspannung des
Spannungsreglers aufweist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vor
gesehen, daß der mit Mitteln zur linearen Regelung des
Stromes versehene Stromregler zusätzlich einen Regeltran
sistor, einen Strommeßwiderstand sowie einen hysteresebe
hafteten Differenzverstärker zur Messung des Spannungsab
falls am Regeltransistor aufweist, der einen Taktschalter
im Spannungsregler bei Überschreitung einer vorgebenen Dif
ferenzspannung öffnend und bei Unterschreitung der Diffe
renzspannung schließend ansteuert sowie durch einen Konden
sator als Zwischenspeicher im Spannungsregler.
Die Erfindung wird anhand schematischer Diagramme und Schal
tungsanordnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild im Grundaufbau,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer Schaltan
ordnung,
Fig. 3 die Strom- und Spannungsverläufe ohne
Annäherung des Ankers,
Fig. 4 die Strom- und Spannungsverläufe bei
sich annäherndem Anker,
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Schaltanord
nung zum Umschalten auf verschiedene
Spannungsquellen,
Fig. 6 eine Ausführungsform für eine Schaltung
des Spannungsreglers für die Schaltan
ordnung gem. Fig. 5,
Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführungsform
gem. Fig. 6.
Wie Fig. 1 zeigt, wird ein induktiver Verbraucher 1, bei
spielsweise die Spule eines elektrischen Schaltmagneten
über einen linearen Stromregler 2 mit einem geregelten Strom
versorgt. Der Stromregler 2 erhält seine Versorgungsspannung
UZ von einem getakteten Spannungsregler 3, beispielsweise
einem DC-DC-Wandler, der eine konstante Eingangsspannung
UV in die verlustarm geregelte Ausgangsspannung UZ durch
Taktung umwandelt. Der Bedarf an Eingangsspannung UZ für
den Stromregler 2 wird von diesem über einen Ausgang 4 vom
Spannungsregler 3 angefordert.
Fig. 2 zeigt im Prinzip eine Ausführungsform einer derar
tigen Schaltanordnung. Der Stromregler 2 enthält hier nicht
näher dargestellte Mittel üblicher Bauweise zur linearen
Regelung des zur Bestromung der Spule 1 notwendigen Stromes
IS. Im übrigen weist der Stromregler 2 einen Regeltransistor
5 auf, an dem eine Spannung UT abfällt. Dem Transistor 5
ist ein Strommeßwiderstand 6 nachgeschaltet, dessen Wert
so klein ist (R gegen 0), daß der daraus entstehende Span
nungsabfall in erster Näherung vernachlässigt werden kann.
Damit ergibt sich für die Spannung am Transistor UT = UZ - US.
Ein hysteresebehafteter Differenzverstärker 7 mißt die
Spannung UT am Transistor 5 und sorgt über die Rückmelde
leitung 4 dafür, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen
Differenzspannung (UT < Um) ein Schalter 8 im Spannungs
regler 3 geöffnet und bei Unterschreiten einer Differenz
spannung (UT < UL) der Schalter 8 wieder geschlossen wird.
Darüber hinaus ist im Spannungsregler 3 ein Kondensator
9 vorgesehen, der als Stromspeicher dient.
In Fig. 3 sind die Strom- und Spannungsverläufe der anhand
von Fig. 2 beschriebenen Schaltungsanordnung dargestellt,
wie sie sich ohne Annäherung des Ankers ergeben. Die Kurve
a) zeigt den Stromverlauf I durch die Spule 1. Die Kurve b)
zeigt die Spannung US an der Spule 1. Wie aus beiden Kurven
ersichtlich, steigt der Strom zunächst in einer e-Funktion
an, bis er den vorgebenen Sollwert IS erreicht. Bis dahin
liegt die maximale Spannung beispielsweise die Spannung
UZ an der Spule 1 an. Nach Erreichen des Strom-Sollwertes
setzt die Linearstromregelung ein und regelt den Strom kon
stant auf den Wert IS. Daraus ergibt sich eine konstante
Spulenspannung mit dem Wert IS × Ri, wobei Ri der Innen
widerstand der Spule 1 ist.
Wenn nun die Spannung UZ gleich der Spannung UV ist, ent
stehen im Stromregler 2 hohe Verluste, und zwar
PV = IS × UT = IS (UV - US).
Bei einer Absenkung der Spannung UZ auf einen kleineren
Wert der im Mittel nur um ΔU oberhalb der für die Konstant
haltung des Stromes IS notwendigen Spulenspannung US liegt,
werden die Transistorverluste auf PV = ΔU × IS reduziert.
Diese Zwischenspannung UZ kann nun durch Taktung erzeugt
werden, so daß die Anordnung praktisch verlustfrei arbeitet,
da an einem getakteten Transistor jeweils entweder Spannung
oder Strom zu Null werden und somit das Produkt aus beiden,
also die Leistung ebenfalls Null ist. Der Spannungsverlauf
einer solchen Spannung UZ ist in Fig. 3 in Kurve c) wieder
gegeben. Der bei dieser Arbeitsweise aus der Versorgungs
quelle entnommene Strom IV ist in der Kurve d) aufgeführt.
Er steigt zunächst genau wie der Spulenstrom IS an, wie
in der Kurve a) dargestellt, und wird durch das Öffnen des
Schalters 7 in der Schaltung gemäß Fig. zu Null, sobald
die Differenzspannung am Transistor, wie in Fig. 3, Kurve
e) dargestellt, eine Schwelle U₂ erreicht. Dadurch wird
der Strom für die Spule 1 nur noch aus dem als Stromspeicher
wirkenden Kondensator 9 entnommen und die Spannung UZ sinkt
wieder ab. Hierdurch sinkt auch die Spannung am Transistor
5 wieder ab. Sobald die Spannung am Transistor 5 eine
Schwelle U₁ erreicht, wird der Strom aus der Versorgungs
spannung über den Schalter 8 wieder eingeschaltet, der
Kondensator 9 wieder aufgeladen und die Spannung UZ und
somit die Spannung UT steigt wieder und der Vorgang wieder
holt sich. Durch diese Maßnahme wird der im Mittel aus der
Quelle entnommene Strom IV, wie die Kurve d) im Vergleich
zur Kurve a) zeigt, gegenüber der reinen Linearregelung
stark verringert und somit die Leistungsaufnahme der Gesamt
schaltung ebenfalls reduziert.
In Fig. 4 sind in entsprechenden Kurvendarstellungen die
Strom- und Spannungsverläufe dargestellt, wie sie bei einer
Annäherung des Ankers 6 an die mit Strom beaufschlagte Spule
sich ergeben. Durch die Annäherung des Ankers 6 an den ent
sprechenden Elektromagneten wird in diesem eine Gegenspan
nung induziert, die bei konstantgehaltenen Strom (Kurve
a) in Fig. 4) die Spannung U₁ an der Spule 1 ansteigen läßt
(→ 10). Erst nach dem Auftreffen des Ankers (→ 11) fällt
die Spannung wieder auf ihren ursprünglichen Wert U₁ ab.
Wie man deutlich erkennt, kann die Spannungsänderung für
eine Auftrefferkennung wie bisher verwendet werden.
Die Kurven c), d) und e) zeigen zur Verdeutlichung die Ver
läufe von UZ, IV und UT bei ankommendem Anker.
Anstelle der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Schal
tungsanordnungen besteht auch die Möglichkeit, die Strom
ersparnis durch Umschalten der Mittelspannung UZ auf unter
schiedliche Versorgungsspannungen UV zu bewirken. Das Grund
prinzip einer derartigen Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt.
Diese entspricht dem Grundprinzip entsprechend Fig. 1,
jedoch mit dem Unterschied, daß hier ein Spannungsregler
3.1 vorgesehen ist, an dem drei Spannungsquellen mit unter
schiedlichen Werten für die Versorgungsspannung anliegen.
Die Umschaltung erfolgt so, daß der minimale Spannungsbedarf
an der Spule 1 zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen
Stromes IS sicher gewährleistet ist. Das heißt, daß die
jeweils ausgewählte Spannungsversorgung die Bedingung
UVn US + UTmin erfüllen muß, wobei UTmin die Spannung
ist, die mindestens am Transistor 5 bzw. generell an der
Regeleinheit abfallen muß, damit die Regelung noch sicher
arbeitet. Der entsprechende Spannungsbedarf wird vom Regler
2 an die Spannungsumschaltung 3 über die Leitung 4 gemeldet.
Im einfachsten Fall wird die Spulenspannung US über die
Leitung 4 gemeldet.
Fig. 6 zeigt als Prinzipschaltbild eine mögliche Ausführungs
form für den als Spannungsumschalter ausgebildeten Spannungs
regler 3.1. Hierin sei die Versorgung UV1 < UV2 < UV3. Zu
dem Eingangssignal 4, das beispielsweise der Spannung an
der Spule US entsprechen kann, wird in einem Summierer 12
eine feste Spannung UTmin aufaddiert und an die Komparatoren
13 und 14 geleitet, die hysteresebehaftet sein können. Diese
durch die Summation entstandene Spannung wird mit Usoll
bezeichnet. Ist nun die Spannung Usoll größer als die
Spannung UV3, so liegt der Ausgang des Komparators auf
hohem Pegel und schaltet somit den Schalter 15 in die obere
Stellung. Genauso arbeitet die obere Stufe, bestehend aus
Komparator 14 und dem Schalter 16; falls die Spannung Usoll
größer ist als die Spannung UV2, so schaltet der Schalter
16 in die obere Stellung. Damit wird der Ausgang UZ mit
der höchstmöglichen Spannung UV1 versorgt. Sinkt nun der
Spannungsbedarf und damit die Spannung Usoll auf beispiels
weise Usoll < UV2, so wird durch den Schalter 16 der
Ausgang UZ mit der Quelle UZ2 verbunden. Bei weiterem Ab
sinken der Spannung Usoll unter UV2 erfolgt dann eine Rück
schaltung auf die Quelle UV3. Naturgemäß läßt sich eine
solche Schaltung auch für eine größere oder eine kleinere
Anzahl von Spannungsquellen aufbauen. So kann es sinnvoll
sein, bei einer Speisung aus einem kaskadierten DC/DC-
Wandler die Spannung jeder einzelnen Kaskade herauszuführen
und zu nutzen. Zusätzlich kann bei Verwendung im Kraftfahr
zeug die eigentliche Bordnetzspannung als Quelle genutzt
werden.
Die wiedergegebenen Schaltungen sollen nur das Prinzip der
Erfindung erläutern, andere Schaltungen sind natürlich
ebenfalls verwendbar. So kann beispielsweise die sich in
Fig. 6 ergebende Umschalterkaskade durch einfache Einschal
ter 15.1 und 16.1 ersetzt werden, wobei durch jeweils nach
geschaltete Dioden 17 sichergestellt wird, daß lediglich
die jeweils höchste Spannung wirksam wird, wie dies in Fig.
7 dargestellt ist.
Claims (5)
1. Verfahren zur energiesparenden Regelung des Anzuges
eines Ankers eines Schaltmagneten, insbesondere eines
Elektromagneten für ein Stellglied an einer Brennkraft
maschine, wobei durch Umschalten auf die niedrigstver
fügbare Versorgungsspannung UV eine Mittelspannung UZ
gebildet wird, die zur Regelung eines Stromes IS zum
Aufbau des Magnetfeldes des Elektromagneten ausreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittelspannung UZ nur geringfügig über dem zur
Regelung des Stromes IS notwendigen Wert liegt und durch
Taktung zwischen einem unteren Wert U₁ und einem oberen
Wert U₂ gebildet wird.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach den Ansprüchen 1 oder 2, zur energiesparenden Rege
lung eines ein Stellgliedes betätigenden Schaltmagneten,
mit einem linearen Stromregler (2), der mit einem takt
weise ansteuerbaren, mit wenigstens einer Versorgungs
spannungsquelle in Verbindung stehenden Spannungsregler
(3) zur Erzeugung einer Mittelspannung UZ in Verbindung
steht, wobei der Stromregler (2) Mittel zum Umschalten
auf wenigstens zwei verschiedene Spannungsquellen auf
weist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der mit Mitteln zur linearen Regelung des
Stroms versehene Stromregler (2) zusätzliche einen Regel
transistor (5), einen Strommeßwiderstand (6) sowie einen
hysteresebehafteten Differenzverstärker (7) zur Messung
des Spannungsabfalls am Regeltransistor (5) aufweist,
der einen Taktschalter (8) im Spannungsregler (3) bei
Überschreiten einer vorgegebenen Differenzspannung öffnend
und bei Unterschreiten der Differenzspannung schließend
ansteuert sowie durch einen Kondensator (9) als Strom
speicher im Spannungsregler (3) aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der mit Mitteln zur linearen Regelung des
Stromes versehene Stromregler (2) zusätzlich einen Regel
transistor (5), einen Strommeßwiderstand (6) sowie ein
hysteresebehafteten Differenzverstärker (7) zur Messung
des Spannungsabfalls am Regeltransistor (5) aufweist,
der wenigstens einen Umschalter (15, 16) am Spannungsreg
ler (3) bei einem Überschreiten oder Unterschreiten einer
vorgegebenen Mindestspannung UTmin ansteuert, durch den
wenigstens zwei Spannungsquelle UV1 und UV2 mit unter
schiedlich hohen Spannungswerten zuschaltbar sind.
Priority Applications (2)
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