DE19521676A1

DE19521676A1 - Regelung des Anzuges eines Ankers eines Schaltmagneten und Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19521676A1
Application number: DE19521676A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Schmitz
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1996-12-19
Also published as: US5793599A

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 U_V eine Mittelspannung U_Z gebildet wird, die zur Regelung eines Stromes I_S 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 U_Z nur geringfügig über dem zur Regelung des Stroms I_S 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 U_Z 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 U_Z von einem getakteten Spannungsregler 3, beispielsweise einem DC-DC-Wandler, der eine konstante Eingangsspannung U_V in die verlustarm geregelte Ausgangsspannung U_Z durch Taktung umwandelt. Der Bedarf an Eingangsspannung U_Z 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 I_S. Im übrigen weist der Stromregler 2 einen Regeltransistor 5 auf, an dem eine Spannung U_T 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 U_T = U_Z - U_S. Ein hysteresebehafteter Differenzverstärker 7 mißt die Spannung U_T am Transistor 5 und sorgt über die Rückmelde leitung 4 dafür, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenzspannung (U_T < U_m) ein Schalter 8 im Spannungs regler 3 geöffnet und bei Unterschreiten einer Differenz spannung (U_T < U_L) 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 U_S an der Spule 1. Wie aus beiden Kurven ersichtlich, steigt der Strom zunächst in einer e-Funktion an, bis er den vorgebenen Sollwert I_S erreicht. Bis dahin liegt die maximale Spannung beispielsweise die Spannung U_Z an der Spule 1 an. Nach Erreichen des Strom-Sollwertes setzt die Linearstromregelung ein und regelt den Strom kon stant auf den Wert I_S. Daraus ergibt sich eine konstante Spulenspannung mit dem Wert I_S × R_i, wobei R_i der Innen widerstand der Spule 1 ist.

Wenn nun die Spannung U_Z gleich der Spannung U_V ist, ent stehen im Stromregler 2 hohe Verluste, und zwar

P_V = I_S × U_T = I_S (U_V - U_S).

Bei einer Absenkung der Spannung U_Z auf einen kleineren Wert der im Mittel nur um ΔU oberhalb der für die Konstant haltung des Stromes I_S notwendigen Spulenspannung U_S liegt, werden die Transistorverluste auf P_V = ΔU × I_S reduziert. Diese Zwischenspannung U_Z 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 U_Z 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 I_S 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 U_Z 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 U_Z und somit die Spannung U_T steigt wieder und der Vorgang wieder holt sich. Durch diese Maßnahme wird der im Mittel aus der Quelle entnommene Strom I_V, 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 U_Z, I_V und U_T 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 U_Z auf unter schiedliche Versorgungsspannungen U_V 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 I_S sicher gewährleistet ist. Das heißt, daß die jeweils ausgewählte Spannungsversorgung die Bedingung U_Vn U_S + U_Tmin erfüllen muß, wobei U_Tmin 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 U_S 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 U_V1 < U_V2 < U_V3. Zu dem Eingangssignal 4, das beispielsweise der Spannung an der Spule U_S entsprechen kann, wird in einem Summierer 12 eine feste Spannung U_Tmin aufaddiert und an die Komparatoren 13 und 14 geleitet, die hysteresebehaftet sein können. Diese durch die Summation entstandene Spannung wird mit U_soll bezeichnet. Ist nun die Spannung U_soll größer als die Spannung U_V3, 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 U_soll größer ist als die Spannung U_V2, so schaltet der Schalter 16 in die obere Stellung. Damit wird der Ausgang U_Z mit der höchstmöglichen Spannung U_V1 versorgt. Sinkt nun der Spannungsbedarf und damit die Spannung U_soll auf beispiels weise U_soll < U_V2, so wird durch den Schalter 16 der Ausgang U_Z mit der Quelle U_Z2 verbunden. Bei weiterem Ab sinken der Spannung U_soll unter U_V2 erfolgt dann eine Rück schaltung auf die Quelle U_V3. 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

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 U_V eine Mittelspannung U_Z gebildet wird, die zur Regelung eines Stromes I_S zum Aufbau des Magnetfeldes des Elektromagneten ausreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelspannung U_Z nur geringfügig über dem zur Regelung des Stromes I_S 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 U_Z 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 U_Tmin ansteuert, durch den wenigstens zwei Spannungsquelle U_V1 und U_V2 mit unter schiedlich hohen Spannungswerten zuschaltbar sind.