DE19719602A1 - Elektronische Steuerschaltung - Google Patents
Elektronische SteuerschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuer
schaltung zur Ansteuerung eines, einen Anker auf
weisenden elektromagnetischen Ventils, insbesondere
für eine Heizungs- und/oder Klimaanlage eines
Kraftfahrzeugs, mit einem in Reihe zur Spule des
Ventils liegenden elektronischen Schaltelement.
Aus der Druckschrift WO 94/19810 ist eine Steuer
schaltung für ein Magnetventil bekannt, die den An
steuerstrom des Magnetventils zeitabhängig verän
dert, wenn das Magnetventil von einer Durchlaßstel
lung in eine Schließstellung gebracht werden soll.
Dies geschieht dadurch, daß der Ansteuerstrom des
Ventils derart verringert - jedoch nicht auf Null - wird,
daß das Magnetventil abfällt. Unmittelbar da
nach wird der Ansteuerstrom wieder erhöht, jedoch
bleibt der Stromwert unterhalb einem Wert, bei dem
das Magnetventil in seine Schließstellung bewegt
wird. Die Steuerschaltung steuert folglich den An
steuerstrom während einer Abschaltphase.
Im Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, Ma
gnetventile mit einen rechteckimpulsförmigen An
steuerstrom zu betreiben. Das heißt, die Erregung
der Magnetspule ist entweder ausgeschaltet oder
eingeschaltet, wobei sie im eingeschalteten Zustand
maximal ist.
Weiterhin ist es bekannt, den Ansteuerstrom für die
Spulenerregung bei Impulsbeginn zunächst auf einen
erhöhten Wert auszusteuern, wobei die Spulenerre
gung - nachdem ein federbelasteter Anker die ersten
Federkräfte und die Haftreibung überwunden hat - auf
einen Nominalwert zurückgefahren wird, bei dem der
Anker in einer Haltestellung verharrt.
Bei den im Stand der Technik bekannten Magnetventi
len ist nachteilig, daß sie beim Schließen relativ
laute Schaltgeräusche produzieren, wenn der Anker
und/oder das Ventil beim Schließen auf einen An
schlag treffen. Wird das Ventil zum Beispiel in ei
nem Kraftfahrzeug zur Steuerung der Klimaanlage
verwendet, so stören die Schaltgeräusche insbeson
dere bei langsamen Fahrten und bei Fahrzeugstill
stand, da dann die Motor- und Fahrgeräusche niedrig
sind.
Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung
zur Ansteuerung eines, einen Anker aufweisenden
elektromagnetischen Ventils, insbesondere für eine
Heizungs- und/oder Klimaanlage eines Kraftfahr
zeugs, mit einem in Reihe zur Spule des Ventils
liegenden elektronischen Schaltelement, bietet dem
gegenüber den Vorteil, daß das Schaltelement die an
der Spule liegende Ventilspannung (beziehungsweise
den Ventilstrom) derart steuert, daß die Ventil
spannung beim Einschalten des Ventils einen ersten
Wert erreicht, daß anschließend die Ventilspannung
auf einen zweiten Wert zurückgefahren wird, der
kleiner als der erste Wert ist und daß nachfolgend
die Ventilspannung einen dritten Wert annimmt, der
größer als der zweite Wert ist und der eine Halte
spannung für das Halten des Ankers in seiner Ein
schaltstellung darstellt. Dadurch, daß das elektro
magnetische Ventil zunächst mit einem ersten Wert
der Ventilspannung betrieben wird, wird der Anker
zunächst so stark beschleunigt, daß die anfäng
lichen Federkräfte und die Haftreibung überwunden
werden. Der so in Bewegung versetzte Anker erfährt
anschließend durch eine verringerte elektromagneti
sche Energie eine verminderte Beschleunigung, da
der zweite Wert der Ventilspannung geringer als der
erste Wert ist, wobei der zweite jedoch vorzugs
weise so gewählt ist, daß der Anker seine Geschwin
digkeit im wesentlichen beibehält. Im Verlauf des
weiteren Einschaltvorgangs nimmt die Ventilspannung
den dritten Wert an, der größer als der zweite Wert
ist, so daß der Anker des Ventils trotz der zuvor
erfolgten Spannungsabsenkung vom ersten auf den
zweiten Wert in sehr kurzer Zeit in die Endstellung
gelangt. Ferner stellt sich dabei der Vorteil ein,
daß das Auftreffen des Ankers auf den Endanschlag
nicht mit dem im Stand der Technik erwähnten lauten
Aufschlaggeräusch verbunden ist, da die erfindungs
gemäße Spannungs- beziehungsweise Stromführung zwar
ein schnelles Schalten ermöglicht, dennoch eine
allzu große Auftreffgeschwindigkeit auf den Endan
schlag verhindert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der erste Wert
der Ventilspannung beziehungsweise des Ventilstroms
in Form eines Einschaltimpulses gebildet ist. Die
Amplitude des Einschaltimpulses ist dabei größer
als die Hälfte des Nominalwerts. Die Zeitdauer des
Einschaltimpulses beträgt etwa das 0,1- bis 0,6-fa
che der Ventilschaltzeit bei sprungförmiger Erre
gung des Ventils mit einer über der Haltespannung
liegenden Spannung. Alternativ kann vorgesehen
sein, daß sich der Einschaltimpuls aus mehreren
aufeinanderfolgenden Impulsen zusammensetzt.
Weiterhin ist vorgesehen, daß der zweite Wert der
Ventilspannung beziehungsweise des Ventilstroms
einen Anfangswert für eine Einschaltrampe bildet.
Die Höhe des zweiten Wert beträgt maximal das
0,8-fache des Nominalwerts der Ventilspannung bezie
hungsweise des Ventilstroms. Nachdem die Ventil
spannung beziehungsweise der Ventilstrom vom ersten
auf den zweiten Wert reduziert ist, schließt sich
dem Einschaltimpuls ein Spannungs- beziehungsweise
Stromverlauf an, der linear ansteigt. Alternativ
kann vorgesehen sein, daß der Anstieg der Ein
schaltrampe nichtlinear, vorzugsweise progressiv
oder degressiv verläuft. Daraus ist ableitbar, daß
das elektromagnetische Ventil während der Ein
schaltrampe mit verminderter, jedoch speziell ge
steuert ansteigender magnetischer Energie betrieben
wird, so daß die Beschleunigung des Ankers vermin
dert ist.
Weiterhin ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen,
daß dem Einschaltimpuls eine "Totzeit" folgt, wäh
rend der die Ventilspannung beziehungsweise der
Ventilstrom konstant auf dem zweiten Wert gehalten
wird, so daß sich der Hochlauf der Einschaltrampe
verzögert.
Vorzugsweise bildet der Endwert der Einschaltrampe
den dritten Wert, wobei der dritte Wert insbeson
dere dem Nominalwert der Ventilspannung beziehungs
weise des Ventilstroms entspricht. Der dritte Wert
weist dabei mindestens eine Höhe auf, wie sie der
Haltespannung des Ankers in seiner Einschaltstel
lung entspricht. Die Ventilspannung beziehungsweise
der Ventilstrom wird dabei über eine Zeitdauer kon
stant gehalten, während der das Ventil in Schließ
stellung ist. Diese Zeitdauer kann je nach Anforde
rung variiert werden.
Zum Abschalten des Ventils ist vorgesehen, die Ven
tilspannung beziehungsweise den Ventilstrom sprung
artig zu verringern und zwar auf einen Wert, der
zwischen dem dritten Wert und dem spannungsfreien
Zustand liegt. Dieser Wert bildet - in einer Weiter
bildung der Erfindung - gleichzeitig einen Anfangs
wert einer Abschaltrampe. Während der Abschaltrampe
wird die Ventilspannung beziehungsweise der Ventil
strom linear auf Null abfallen. Alternativ kann der
Verlauf der Abschaltrampe nichtlinear, insbesondere
progressiv oder degressiv abfallend sein. Die Zeit
dauer der Abschaltrampe wird durch einen Spulen
freilauf bestimmt, der beispielsweise durch eine
parallel zur Spule geschaltete Freilaufdiode gebil
det ist.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorge
sehen, daß die einzelnen Ansteuerabschnitte (Ein
schaltimpuls, Totzeit, Einschaltrampe, Einschalt
stellung und Abschaltrampe) nicht durch fest vorge
gebene Bedingungen bestimmt sind, sondern daß aktu
elle Zustandsparameter die Amplitude und/oder die
Zeitdauer mindestens eines Ansteuerabschnitts be
stimmen. Bei einem Kraftfahrzeug sind beispiels
weise solche Zustandsparameter die Batteriespan
nung, die Drehzahl einer Wasserpumpe eines Verbren
nungsmotors, der Fluiddruck eines Wasserkreislaufs
einer Klimaanlage und die Spulentemperatur. Dazu
ist es notwendig, die Zustandsparameter mittels ge
eigneter Sensoren zu erfassen. Beispielsweise kann
ein Thermoelement zur Erfassung der Spulentempera
tur vorgesehen sein.
Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, die Höhe des
Einschaltimpulses, also die Höhe des ersten Werts,
mittels des elektronischen Schaltelements unabhän
gig von der Versorgungsspannung - beispielsweise ist
das die Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs, also
die Batteriespannung - der elektronischen Steuer
schaltung auf eine gewünschte Höhe einzustellen.
Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Bat
teriespannung aufgrund äußerer Einflüsse, zum Bei
spiel Außentemperatur, nicht konstant ist, da dann
dennoch stets reproduzierbare Einschaltvorgänge re
alisiert werden.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, daß die Dauer
des Einschaltimpulses automatisch einstellbar ist.
Dabei hängt die Dauer des Einschaltimpulses von der
Position des Ankers ab. Die Position des Ankers
wird mittels einer geeigneten elektronischen Schal
tung, die der elektronischen Steuerschaltung zuor
denbar ist, aus dem Verlauf der Ventilspannung
und/oder des Ventilstroms abgeleitet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist
vorgesehen, daß der elektronischen Steuerschaltung
eine Auswerteeinrichtung zugeordnet ist. Die Zuord
nung umfaßt nicht nur eine Bereitstellung von In
formationen untereinander, sondern auch die räum
liche Zuordnung zueinander. Insbesondere ist die
Auswerteeinrichtung Bestandteil der elektronischen
Steuerschaltung.
Es ist vorgesehen, daß die Auswerteeinrichtung beim
Start des Einschaltvorganges des Ventils aus der
Steigung des Ventilstroms und/oder der Ventilspan
nung einen Zeitpunkt ermittelt, in dem der Ventil
strom einen Plateauwert annehmen wird, der unter
dem Haltestrom des Ankers liegt und in dem die
Steigung des Ventilstroms Null beziehungsweise etwa
Null ist. Der Anstieg des Ventilstroms entspricht
in diesem Zeitbereich dem eingangs erwähnten Ein
schaltimpuls, jedoch erfolgt der Ventilstromanstieg-
in Abhängigkeit der Induktivität der Spule - vor
zugsweise nichtlinear. Dazu wird zunächst der Ver
lauf des Ventilstroms beziehungsweise der Ventil
spannung während eines Einschaltvorganges erfaßt,
wenn keine oder aber in ihrer Höhe bekannte Stör
größen auf das Ventil wirken. Dieser Verlauf ent
spricht einem Sollkurvenverlauf aus dem zu jedem
gewünschten Zeitpunkt die Steigung ermittelt wird,
so daß bei einem davon abweichenden Verlauf - daraus
folgt auch eine abweichende Steigung - des Ventil
stroms beziehungsweise der Ventilspannung Rück
schlüsse darauf gezogen werden können, unter wel
chen Bedingungen das Ventil arbeitet. Wirken auf
das Ventil Störgrößen oder gehen vom Ventil selbst
Störgrößen aus, ändert sich der Verlauf und die
Steigung des Ventilstroms beziehungsweise der Ven
tilspannung. Mithin ist es möglich, aufgrund eines
Vergleichs zwischen dem Sollkurvenverlauf und dem
Verlauf des Ventilstroms beziehungsweise der Ven
tilspannung eine Aussage über die Höhe der wirken
den Störgröße(n) zu machen, so daß der Verlauf des
Ventilstroms beziehungsweise der Ventilspannung
mittels der elektronischen Schaltung an den Soll
kurvenverlauf anpaßbar ist. Alternativ kann vorge
sehen sein, daß zu festlegbaren Zeitpunkten ein
zelne Werte der Sollkurve ermittelt werden. In ei
nem betriebsbedingten Einschaltvorgang erfaßte,
aufgrund von einwirkenden Störgrößen abweichende
Werte des Ventilstroms beziehungsweise der Ventil
spannung ergeben durch direkten Vergleich mit den
ermittelten Werten der Sollkurve Aufschluß über die
Höhe der einwirkenden Störgröße(n). Folglich ist
auch hier eine Anpassung des Verlaufs des Ventil
stroms beziehungsweise der Ventilspannung an den
Sollkurvenverlauf in vorteilhafter Weise möglich.
Beide vorstehend beschriebenen Varianten ermögli
chen für verschiedene Betriebsbedingungen ein si
cheres Schließen des Ventils in genügend kurzer
Zeit, wobei eine optimale Geräuschreduzierung er
reicht wird.
Zumindest eine Störgröße tritt bei jedem Steue
rungs- beziehungsweise Regelvorgang auf. Im vorlie
genden Fall treten mehrere Störgrößen auf, worauf
nachfolgend näher eingegangen wird. Erfolgt eine
Ansteuerung dem Spule für einen Einschaltvorgang,
bildet sich ein elektromagnetisches Feld aus, wel
ches auf den Anker wirkt, wodurch sich dieser in
Bewegung setzt. Gleichzeitig wirkt der Anker in
seiner Bewegung auf eine Ventileinheit, die den
Kreislauf des Heiz- beziehungsweise Kühlwasserkrei
ses schließen soll. Der Wasserdruck im Mediumkreis
wirkt der Ventileinheit und somit dem Anker entge
gen, der seinerseits der durch die Spule erzeugten
elektromagnetischen Kraft entgegenwirkt. Es tritt
also eine Störgröße an der Ventileinheit auf, die
indirekt über den Anker auch auf die Spule wirkt.
Ferner erzeugt eine weitere Störgröße der Anker
selbst, nämlich durch Reibung in seiner mechani
schen Führung und/oder dadurch, daß der Acker in
seiner Bewegung, beispielsweise durch eine Feder,
gedämpft ist. Eine weitere Störgröße wirkt auf die
Spule, die sich aus einem in Abhängigkeit von der
Spulentemperatur veränderbaren elektrischen Spulen
widerstand, durch die von der Ankerbewegung hervor
gerufene Änderung des magnetischen Kreises (der An
ker wird aus der Spule herausbewegt) und durch die
daraus resultierende Änderung des Ventilstroms zu
sammensetzt. Schließlich wird durch die Bewegung
des Ankers in der Spule eine Spannung induziert,
die einen Strom entgegen dem Ventilstrom bewirkt.
Durch diese inneren und äußeren Einflüsse, steigt
bei einem Einschaltvorgang des Ventils der Ventil
strom beziehungsweise die Ventilspannung nicht ge
mäß dem Sollkurvenverlauf an, sondern abweichend zu
ihm. Diese Abweichung ist vorzugsweise mittels der
Auswerteeinrichtung erfaßbar, so daß diese der
elektronischen Steuerschaltung Informationen über
die auf das Ventil wirkenden Störgrößen übermit
telt, wodurch der Verlauf des Ventilstroms bezie
hungsweise der Ventilspannung an den Sollkurvenver
lauf anpaßbar ist. Dadurch wird in vorteilhafter
Weise ein geräuschreduzierter Schließvorgang des
Ventils in genügend kurzer Zeit ermöglicht.
In Abweichung zum vorstehend Beschriebenen wird der
Sollkurvenverlauf des Ventilstroms beziehungsweise
der Ventilspannung nicht mittels eines Einschalt
vorganges des Ventils ermittelt, bei dem keine oder
in ihrer Höhe bekannte Störgrößen wirken, sondern
es ist - in einer Ausführungsvariante - selbstver
ständlich auch möglich, den Sollkurvenverlauf an
hand einer Simulation und/oder eines (Labor-Ver
suchs zu ermitteln. Die dadurch ermittelten
Werte dienen als Standardwerte und können insbeson
dere in der Auswerteeinrichtung gespeichert werden.
Schließlich ist vorzugsweise vorgesehen, daß die
Auswerteeinrichtung aus der Steigung und/oder aus
einzelnen Werten des Ventilstroms und/oder der Ven
tilspannung vom Einschaltzeitpunkt des Ventils bis
zum Zeitpunkt des Erreichens des Plateauwertes in
Abhängigkeit von den auf das Ventil wirkenden Stör
größen Steuerungsparameter für die Beeinflussung
des Verlaufs des Ventilstroms und/oder der Ventil
spannung eines späteren Zeitbereichs ermittelt.
Ferner ist aus dem anfänglichen Verlauf des Ansteu
ersignals des Ventils eine Vorhersage über die zu
erwartende Gesamtschließdauer des Ventils möglich.
Ist beispielsweise die vorhergesagte Gesamt
schließdauer aufgrund eines hohen Wasserdruckes zu
lang, so kann die elektronische Steuerschaltung den
Ventilstrom oder die Ventilspannung erhöhen, so daß
der Anker stärker beschleunigt wird, wodurch eine
gegenüber der erwarteten Gesamtschließdauer kürzere
Schließdauer erzielt wird. Andererseits ist es je
doch auch möglich, bei einer vorhergesagten zu kur
zen Gesamtschließzeit, resultierend aus einer hohen
Geschwindigkeit des Ankers, den Ventilstrom bezie
hungsweise die Ventilspannung kurzzeitig auszu
schalten, so daß dadurch die Geschwindigkeit des
Ankers reduziert wird, wodurch auch hier ein opti
maler, geräuschreduzierter Schließvorgang erzielt
wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der elek
tronischen Steuerschaltung mit einem an
zusteuernden elektromagnetischen Ventil,
Fig. 2 einen zeitabhängigen Verlauf der an der
Spule liegenden Ventilspannung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausfüh
rungsbeispiels der elektronischen Steuer
schaltung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines dritten Ausfüh
rungsbeispiels der elektronischen Steuer
schaltung und
Fig. 5 einen zeitabhängigen Verlauf eines Ventil
stroms, bei einer Ansteuerung des Ventils
mit der elektronischen Schaltung nach Fig.
4.
Die Fig. 1 zeigt eine elektronische Steuerschal
tung 1, im folgenden als Steuergerät 2 bezeichnet,
das über Anschlüsse 3 mit Spannung versorgt wird.
Dabei stellt ein Anschluß 3' eine Verbindung mit
einem Pluspol eines hier nicht dargestellten Bord
netzes eines Kraftfahrzeugs dar. Ferner zeigt Fig.
1 ein elektromagnetisches Ventil 4 mit einem Spu
lenfreilauf 5. Das elektromagnetische Ventil 4 ist
einem hier nicht dargestellten Mediumkreislauf der
art zugeordnet, daß es einen Heiz- /beziehungsweise
Kühlwasserzulauf für einen Wärmetauscher einer Hei
zungs- und/oder Klimaanlage reguliert. Das Steuer
gerät 2 beinhaltet eine Regeleinrichtung 6, eine
Ansteuerschaltung 7, ein elektronisches Schaltele
ment 8 sowie einen Shunt-Widerstand 10. Das Schalt
element 8 ist als Feldeffekt-Transistor, im folgen
den kurz als FET 9 bezeichnet, ausgebildet.
Das elektromagnetische Ventil 4 weist eine Spule
12, einen innerhalb der Spule 12 beweglich ange
brachten Anker 13 und eine Ventileinheit 14 auf,
wobei der hier nicht dargestellte bewegliche Teil
der Ventileinheit 14 mittels des Ankers 13 betätigt
wird. Ein Anschluß 15 der Spule 12 des elektro
magnetischen Ventils 4 ist mit einem Pluspol des
hier nicht dargestellten Bordnetzes des Kraftfahr
zeugs verbunden, dies ist der Pluspol der Batterie
des Kraftfahrzeugs. Mit ihrem anderen Anschluß 16
ist die Spule 12 mit dem Steuergerät 2 verbunden.
Parallel zur Spule 12 ist der Spulenfreilauf 5 an
geschlossen, das heißt ein Anschluß 17 des Spulen
freilaufs ist mit dem Anschluß 15 der Spule verbun
den und ein weiterer Anschluß 18 des Spulenfrei
laufs 5 mit dem anderen Anschluß 16 der Spule 12.
Alternativ kann der Spulenfreilauf 5 auch im Steu
ergerät 2 integriert sein (nicht dargestellt). Der
Spulenfreilauf 5 wirkt dann entweder zwischen den
Anschlüssen 3' und 16 oder er ist parallel zum
Schaltelement 8 angeschlossen und wirkt zwischen
dem Anschluß 16 und der Masse (Minuspol der Bord
batterie) des Bordnetzes.
Die Regeleinrichtung 6 des Steuergeräts 2 überträgt
Informationen über eine Verbindung 19 zur Ansteuer
schaltung 7 und erhält über eine Verbindung 20 In
formationen von der Ansteuerschaltung 7. Die An
steuerschaltung 7 steuert mit ihrem Ausgang 21 das
Gate 22 des FET 9 an, so daß sich der Durchgangswi
derstand zwischen einem Source-Anschluß, im folgen
den nur als Source 23 bezeichnet und einem Drain-An
schluß, im folgenden nur als Drain 24 bezeichnet,
in Abhängigkeit von einem am Gate 22 anliegenden
Ansteuersignal verändern läßt. Weiterhin weist die
Ansteuerschaltung 7 Anschlüsse 25 und 26 auf, wobei
der Anschluß 25 mit der Source 23 und der Anschluß
26 mit dem Drain 24 verbunden ist. Ferner ist am
Drain 24 der Shunt-Widerstand 10 mit seinem einen
Anschluß 27 angeschlossen. Ein anderer Anschluß 28
des Shunt-Widerstands 10 ist mit der Masse verbun
den, nämlich dem Minuspol der Batterie des Kraft
fahrzeugs.
Es ergibt sich insgesamt ein Strompfad, in dem die
Spule 12, der FET 9 und der Shunt-Widerstand 10 in
Serie geschaltet sind, wobei die Spule 12 mit ihrem
Anschluß 15 - wie bereits erwähnt - am Pluspol der
Batterie und der Shunt-Widerstand 10 an der Masse
angeschlossen ist. Durch die Serienschaltung der
Bauteile liegt eine Teilspannung, nämlich eine Ven
tilspannung 29, an der Spule 12 an.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt einen zeitabhängigen
Verlauf der Ventilspannung 29 während eines Schalt
vorganges, der in eine Einschaltphase E (0 bis t3),
eine Phase mit konstanter Ventilspannung K (t4-t3)
und eine Ausschaltphase A (t5-t4) unterteilt ist.
Auf der Ordinatenachse ist die Spannung U und auf
der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen. Der Ver
lauf der Ventilspannung 29 setzt sich beim Ein
schalten des Ventils 4 aus einem Einschaltimpuls
30, einer Einschaltrampe 32, einer Schließzeit 41
und einer Abschaltrampe 34 zusammen. Die Ein
schaltrampe 32 weist eine Totzeit 31 und einen
Hochlauf 33 auf. Die Höhe des Einschaltimpulses 30
stellt einen ersten Wert U1 dar, der größer oder
kleiner als ein Nominalwert N sein kann und während
einer Zeitdauer t1-t0 an der Spule 12 anliegt. Zum
Zeitpunkt t1 beginnt die Einschaltrampe 32 und die
Ventilspannung 29 fällt auf einen zweiten Wert U2
ab. Der zweite Wert U2 bildet somit den Anfangswert
der Einschaltrampe 32, wobei die Einschaltrampe 32
insgesamt eine Zeitdauer t3-t1 aufweist. Während
der Totzeit 31 ist der zweite Wert U2 konstant. Die
zum Zeitpunkt t2 beginnende Hochlaufzeit 33 weist
eine linear ansteigende Ventilspannung 29 bis zum
Zeitpunkt t3 auf den Nominalwert N auf. Der Nomi
nalwert N der Ventilspannung 29 liegt an der Spule
12 während dem Schließzeit 41 für eine Zeitdauer
t4-t3 an und bildet somit eine Haltespannung. Zum
Zeitpunkt t4 fällt die Ventilspannung 29 auf einen
dritten Wert U3 ab, der gleichzeitig einen Anfangs
wert für die Abschaltrampe 34 darstellt. Während
einer Zeitdauer t5-t4 der Abschaltrampe 34 fällt
die Ventilspannung 29 bis auf einen spannungsfreien
Zustand 35 ab. Das elektromagnetische Ventil 4 be
findet sich folglich zum Zeitpunkt t5 vorzugsweise
in seiner Abschaltstellung.
Der in Fig. 2 gezeigte Verlauf der Ventilspannung
29 wird dadurch erzeugt, daß über den Ausgang 21
der Ansteuerschaltung 7 das Gate 22 des FET 9 mit
einem Signal so angesteuert wird, daß sich zwischen
der Source 23 und dem Drain 24 jeweils ein derarti
ger Durchgangswiderstand einstellt, daß an dem
Schaltelement 8 der gewünschte Spannungsfall auf
tritt, also die Ventilspannung 29 nach dem Verlauf
der Fig. 2 entsteht. Über die Anschlüsse 25 und 26
wird der Spannungsfall sensiert, wobei hierbei die
Höhe der Batteriespannung berücksichtigt wird. Da
durch ist es möglich die Höhe der Ventilspannung
29 durch die Regeleinrichtung 6 genau auf den ge
wünschten Sollkurvenverlauf einzustellen. Für den
Betrieb des elektromagnetischen Ventils 4 werden
vom Steuergerät 2 aufeinanderfolgend mehrere
Schaltvorgänge mit der Zeitdauer t5-t0 generiert,
wobei der Zeitraum zwischen zwei Schaltvorgängen
von der vom Wärmetauscher der Heizungs- und/oder
Klimaanlage abgeforderten Leistung bestimmt wird.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 zeigt eine elek
tronische Schaltung 1a, die als Steuergerät 2a aus
gebildet ist. Am Anschluß 25 des Steuergeräts 2a
befindet sich der Anschluß 16 des elektromagneti
schen Ventils 4, so daß sich der gleiche grundsätz
liche Aufbau, wie in Fig. 1 gezeigt, ergibt. Zu
sätzlich zum Steuergerät 2 aus Fig. 1 weist das
Steuergerät 2a Anschlüsse 36 und 37 auf, an denen
Sensoren 38 angeschlossen sind. Ein Thermoelement
39 mißt die Temperatur - als Störgröße - der Spule,
so daß das Steuergerät 2a die Ventilspannung 29
temperaturabhängig von der Spule 12 regelt. Der am
Ausgang 37 angeschlossene Sensor 38 ist ein Druck
sensor 40, der einen Wasserdruck - als weitere Stör
größe - in dem Heiz- /beziehungsweise Kühlwasserzu
lauf sensiert, nämlich den, den das elektromagneti
sche Ventil 4 öffnen oder schließen soll. Die von
den Sensoren 38 ermittelten Größen dienen somit zur
Ermittlung von Steuerungsparametern, wodurch die
einzelnen Ansteuerabschnitte hinsichtlich ihrer
Zeitdauer und Amplitude optimal an wechselnde Be
triebszustände einer Heiz- beziehungsweise Klimaan
lage angepaßt werden. Selbstverständlich sind dem
Steuergerät 2a weitere Sensoren 38 über weitere An
schlüsse zuordenbar, worauf jedoch bei der Fig. 3
der Einfachheit halber verzichtet wurde.
Die im Anspruch 1 angesprochene Alternative, näm
lich, daß anstelle der Ventilspannung auch der Ven
tilstrom gesteuert werden kann, wird in einem wei
teren Ausführungsbeispiel - dargestellt in Fig. 4 - nä
her erläutert. Demgemäß gilt auch für dieses Aus
führungsbeispiel der Anspruch 1 sinngemäß, wenn in
ihm anstelle des Begriffs "Ventilspannung" der Be
griff "Ventilstrom" angenommen wird.
Für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist vorge
sehen, daß einem Steuergerät 2b eine digi
tal- und/oder analogarbeitende Auswerteeinrichtung 42
zugeordnet ist. Sie erfaßt das das Ventil 4 ansteu
ernde Signal, nämlich einen Ventilstrom 44 (Fig.
5). Aus dessen zeitlichen Verlauf ermittelt sie zu
mindest zu einem festlegbaren Zeitpunkt die Stei
gung des Ventilstroms 44, wodurch im Vergleich mit
einer Steigung der Sollkurve (nicht dargestellt)
ein Bewegungsverlauf des Ankers 13 ableitbar ist.
Erfolgt eine Ansteuerung der Spule 12 durch das
Steuergerät 2b über das Schaltelement 8 (in Fig. 4
nicht dargestellt) mit einer über einem Zeitraum
t3-t0 konstanten Ventilspannung 29' mit dem Wert U
(Fig. 5), so steigt zunächst der Ventilstrom 44 in
Abhängigkeit der Induktivität und des ohmschen Wi
derstands der Spule 12 an. Hierzu sei angemerkt,
daß bei einer Ventilstromsteuerung das Schaltele
ment 8 vorzugsweise parallel mit der Spule 12 ver
schaltet ist. Aufgrund der Ansteuerung bildet sich
ein elektromagnetisches Feld in der Spule 12 aus,
das auf den Anker 13 wirkt, der sich dadurch in Be
wegung setzt. Dieser wirkt in seiner Bewegung auf
die Ventileinheit 14, welche den Kreislauf des
Heiz- beziehungsweise Kühlwasserkreises (nicht dar
gestellt) unterbrechen beziehungsweise schließen
soll. Durch das Schließen überträgt der unterbro
chene Mediumkreislauf eine Störgröße Z14 auf die
Ventileinheit 14. Die Störgröße Z14 wird durch den
Differenzdruck zwischen Ein- und Auslaß (nicht dar
gestellt) der Ventileinheit 14 und durch die Höhe
der zu sperrenden Durchflußmenge hervorgerufen.
Die Störgröße Z14 ist abhängig von der Temperatur
und der Viskosität des Mediums, von der Drehzahl
der Pumpe, die das Medium umpumpt und von Be
triebszuständen von eventuell vorhandenen verzweig
ten Medienkreisen. Da die Störgröße Z14 auf die
Ventileinheit 14 wirkt, wirkt sie auch dem Anker 13
entgegen. Während der Bewegung des Ankers 13 er
fährt dieser zusätzlich eine Störgröße Z13, hervor
gerufen durch Reibung in seiner mechanischen Füh
rung und durch eine Dämpfung (elektrisch, magne
tisch und/oder mechanisch), die auf ihn wirkt. Der
Anker 13 wirkt somit der durch die Spule 12 erzeug
ten elektromagnetischen Kraft entgegen. Ferner
wirkt eine Störgröße Z12 auf die Spule 12, die sich
aus einem in Abhängigkeit von der Spulentemperatur
veränderbaren elektrischen Spulenwiderstand, durch
die von der Ankerbewegung hervorgerufene Änderung
des magnetischen Kreises und durch die daraus re
sultierende Änderung des Spulenstroms (Ventilstrom
44) zusammensetzt. Ferner wird in der Spule 12
durch die Bewegung des Ankers 13 eine Spannung in
duziert, die einen Strom entgegen dem die Spule 12
speisenden Strom bewirkt.
Dadurch, daß - wie bereits erwähnt - die Auswerteein
richtung 42 die Steigung des Ventilstroms 44 er
faßt, können aus dieser Informationen über die auf
das Ventil 4 wirkenden Störgrößen Z12, Z13 und Z14
abgeleitet werden, so daß der Ventilstrom 44 in de
ren Abhängigkeit durch das Steuergerät 2b steuerbar
ist. Dadurch ist es möglich, daß er optimal an die
Betriebszustände der Heiz- beziehungsweise Klimaan
lage angepaßt werden kann. Mithin wird in vorteil
hafter Weise ein geräuschreduzierter Schließvorgang
des Ventils 4 ermöglicht, worauf im folgenden an
hand der Fig. 5 näher eingegangen wird.
Beim Ansteuern des Ventils 4 zu Beginn des Ein
schaltvorganges mit der Ventilspannung 29' steigt
- wie bereits beschrieben - der Ventilstrom 44 wäh
rend eines Zeitbereichs t1-t0 nichtlinear an. Durch
die Bewegung des Ankers 13 wird in der Spule 12
eine Spannung induziert, die eine Stromrichtung
entgegen dem versorgenden Ventilstrom 44 bewirkt.
Durch die nach Überwindung der ersten Reibungs- und
Federkräfte zunehmende Geschwindigkeit des Ankers
13 und die daraus erzeugte höhere Induktionsspan
nung, nimmt die Steigung des Ventilstroms 44 mit
zunehmender Zeit t ab. Zum Zeitpunkt t1 erreicht
der Ventilstrom 44 einen Plateauwert I1, der vor
zugsweise unter einem Nominalwert N1 liegt, der dem
Haltestrom des Ankers in seiner Einschaltstellung
entspricht. Dabei ist die Steigung des Ventilstroms
44 Null. Daraus leitet die Auswerteeinrichtung 42
eine Information ab, nämlich daß sich der Anker 13
bewegt haben muß. Durch die weiterhin zunehmende
Geschwindigkeit des Ankers 13 nimmt im weiteren
Verlauf der Ventilstrom 44 ab, bis er zu einem
Zeitpunkt t2 ein relatives Minimum mit dem Wert I2
einnimmt, der unter dem Wert I1 liegt. Die Steigung
des Ventilstroms 44 ist im Zeitbereich t2-t1 nega
tiv. Zum Zeitpunkt t2 erreicht die Ventileinheit 14
ihren Endanschlag und somit das Ventil 4 seine Ein
schaltstellung. Die Bewegung des Ankers 13 ist nun
beendet. Dadurch wird der durch die beschleunigte
Bewegung des Ankers 13 in der Spule 12 erzeugte Ge
genstrom, der während der Bewegung des Ankers zur
Abnahme des Ventilstroms 44 (auch Gesamtspulenstrom
genannt) führt, jetzt nahezu 0. Der Ventilstrom 44
kann sich somit in dem Zeitbereich t3-t2 unge
hindert bis zu einem Nominalwert N1 aufbauen. Die
ser Verlauf des Ventilstroms 44 entspricht einer
digitalen Ansteuerung des Ventils 4 mittels einer
Ventilspannung 29', die zum Zeitpunkt t0 von einem
Wert gleich null, sprungartig zu einem Nominalwert
U ausgesteuert wird.
Selbstverständlich ist es für das Ausführungsbei
spiel nach Fig. 4 auch möglich, ab dem Zeitpunkt
t1, wenn der Ventilstrom 44 den Plateauwert I1 bzw.
die Steigung des Ventilstroms 44 einen vorgebbaren
Wert erreicht hat, das Ventil mit einer Ventilspan
nung 29 (gemäß Fig. 2 im Zeitbereich t5-t2) zu be
treiben. Demnach wird zum Zeitpunkt t1 die Ventil
spannung 29' mit dem Nominalwert U zum Zeitpunkt t1
auf einen Wert U2 zurückgefahren, wodurch die elek
tromagnetische Energie in der Spule 12 abnimmt. Das
führt zu einer verminderten Beschleunigung des An
kers 13. Dadurch stellt sich eine Geschwindigkeit
ein, die genügend groß ist, um ein sicheres
Schließen des Ventils 4 zu gewährleisten, jedoch so
gering ist, daß eine Geräuschentwicklung beim Auf
treffen des Ankers 13 auf seinen Endanschlag im we
sentlichen verhindert wird, wobei der Einfluß der
Störgrößen Z12, Z13 und Z14 bis zum Erreichen des
Plateauwerts I1 des Ventilstroms berücksichtigt
wird.
Ändern sich die Zustandsparameter im Mediumkreis,
so wären die Zeitbereiche t1-t0, t2-t1 und t3-t2
nicht bei jedem Schaltvorgang des Ventils 4 kon
stant, sondern in Abhängigkeit der einwirkenden
Störgrößen Z12, Z13 und Z14 veränderbar. Herrscht
beispielsweise im Mediumkreis ein besonders hoher
Fluiddruck, so würde sich beim Ansteuern des Ven
tils 4 das Erreichen des Zeitpunkts t1 verzögern,
da der Ventileinheit 14 und somit dem Anker 13 hö
here Kräfte entgegenstehen. Der Ventilstrom 44
steigt dabei weniger steil an, dies erkennt die
Auswerteeinrichtung 42 und ermittelt im Vergleich
mit einer Steigung der Sollkurve den zu erwartenden
Zeitpunkt t1. Wäre demgemäß die Zeitdauer t1-t0 zu
groß, so daß eine Schließung des Ventils 4 zu lange
dauern würde, veranlaßt sie das Steuergerät 2b den
Ventilstrom 44 zu erhöhen, so daß der Anker 13 den
erhöht entgegenwirkenden Kräften entgegentritt, wo
durch das Ventil 4 in genügend kurzer Zeit ge
räuscharm und dennoch sicher geschlossen werden
kann. Ferner ermittelt die Auswerteeinrichtung 42
aus der Steigung des Ventilstroms 44 im Zeitbereich
t1-t0 Informationen über die wirkenden Störgrößen
Z12, Z13 und Z14, so daß in deren Abhängigkeit der
Ventilstrom 44 hinsichtlich seiner Amplitude auch
im nachfolgenden Zeitbereich t3-t1 veränderbar ist.
Weiterhin ist bei einer zu schnellen Bewegung des
Ankers 13, wodurch sich ein sehr steiler Stroman
stieg einstellt, vorgesehen, die Ventilspannung 29'
kurzzeitig durch das Steuergerät 2b zu unterbre
chen, so daß eine Totzeit - wie im Ausführungsbei
spiel nach Fig. 1 - in der Ventilspannung 29' inte
griert sein kann. Natürlich sind - bei Bedarf - meh
rere Kurzunterbrechungen der Ventilspannung 29' in
allen Ansteuerabschnitten möglich. Mithin wird auch
in dieser Situation ein optimaler Schließvorgang
des Ventils 4 unter Berücksichtigung der Störgrößen
Z12, Z13 und Z14 durchgeführt.
Zum Öffnen des Ventils 4 nach der Schließzeit kann
vorgesehen sein, entweder den Ventilstrom 44 ge
steuert oder ungesteuert abzuschalten. Jedoch ist
sicherzustellen, daß der Ventilstrom 44 in der Aus
schaltphase - entsprechend dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 - auf Null abfällt, so daß das Ventil 4
seine Abschaltstellung einnehmen kann.
Claims (19)
1. Elektronische Steuerschaltung zur Ansteuerung
eines, einen Anker aufweisenden elektromagnetischen
Ventils, insbesondere für eine Heizungs- und/oder
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einem in
Reihe zur Spule des Ventils liegenden elektroni
schen Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schaltelement (8) die an der Spule (12) lie
gende Ventilspannung (29) (beziehungsweise den Ven
tilstrom (44)) derart steuert, daß die Ventilspan
nung (29) beim Einschalten des Ventils einen ersten
Wert (U1) erreicht, daß anschließend die Ventil
spannung (29) auf einen zweiten Wert (U2) zurückge
fahren wird, der kleiner als der erste Wert (U1)
ist, und daß nachfolgend die Ventilspannung (29)
einen dritten Wert (N) annimmt, der größer als der
zweite Wert (U2) ist und der eine Haltespannung für
das Halten des Ankers (13) in seiner Einschaltstel
lung darstellt.
2. Elektronische Steuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wert (U1) in
Form eines Einschaltimpulses (30) gebildet wird.
3. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplitude des Einschaltimpulses (30) größer
als die Hälfte der Haltespannung ist.
4. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitdauer des Einschaltimpulses (30) etwa
zwischen dem 0,1- und dem 0,6-fachen Wert der Ven
tilschaltzeit bei sprungförmiger Erregung des Ven
tils mit einer über der Haltespannung liegenden
Spannung ist.
5. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Einschaltimpuls (30) aus mehreren Impulsen
zusammengesetzt ist.
6. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Wert (U2) einen Anfangswert einer
Einschaltrampe (32) bildet.
7. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Endwert der Einschaltrampe (32) den dritten
Wert (N) bildet.
8. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschaltrampe (32) eine sich an den Ein
schaltimpuls (30) anschließende Totzeit (31) auf
weist, während der sich der Wert der Ventilspannung
(29) nicht ändert.
9. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventilspannung (29) beim Abschalten des
Ventils auf einen Anfangswert (U3) einer Ab
schaltrampe (34) fällt, der zwischen dem dritten
Wert (N) und dem spannungsfreien Zustand (35)
liegt.
10. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Endwert der Abschaltrampe (34) kleiner als
der Anfangswert der Abschaltrampe (34) ist.
11. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsverlauf der Einschaltrampe (32)
und/oder der Abschaltrampe (34) linear, progressiv
oder degressiv verläuft.
12. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitdauer des Einschaltimpulses (30) von
der jeweiligen Position des Ankers (13) abhängig
ist.
13. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Position des Ankers (13) aus dem Verlauf
der Ventilspannung (29) und/oder dem Ventilstrom
(44) mittels einer elektronischen Schaltung
ermittelt wird.
14. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektronische Schaltelement (8) die Höhe
des Einschaltimpulses (30) unabhängig von der Ver
sorgungsspannung der elektronischen Steuerschaltung
(1) auf den ersten Wert (U1) einstellt.
15. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Auswerteeinrichtung (42) beim Start des
Einschaltvorgangs des Ventils (4) aus der Steigung
des Ventilstroms (44) und/oder der Ventilspannung
(29) einen Zeitpunkt t1 ermittelt, in dem der Ven
tilstrom (44) einen Plateauwert (I1) annehmen wird,
der unter dem Haltestrom des Ankers (13) liegt und
in dem die Steigung des Ventilstroms (44) Null be
ziehungsweise etwa Null ist.
16. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinrichtung (42) aus der Steigung
und/oder aus einzelnen Werten des Ventilstroms (44)
und/oder der Ventilspannung (29) vom Einschaltzeit
punkt des Ventils (4) bis zum Zeitpunkt t1 in Ab
hängigkeit von auf das Ventil (4) wirkenden Stör
größen (Z12, Z13, Z14) Steuerungsparameter für die
Beeinflussung des Verlaufs des Ventilstroms (44)
und/oder der Ventilspannung (29) eines späteren
Zeitbereichs ermittelt.
17. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf das Ventil (4) wirkenden Störgrößen
(Z12, Z13, Z14) aus der Steigung des Ventilstroms
(44) und/oder der Ventilspannung (29) durch Ver
gleich mit einer störgrößenfreien Steigung von der
Auswerteeinrichtung (42) zur Beeinflussung des Ver
laufs des Ventilstroms (44) und oder der Ventil
spannung (29) ermittelt werden.
18. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Störgrößen (Z12, Z13, Z14) vom Steuergerät (2a) mit
tels Sensoren (38) erfaßt werden.
19. Elektronische Steuerschaltung nach einem der
Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteeinrichtung (42) dem Steuergerät (2b) zuge
ordnet ist.
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