DE19742037A1 - Verfahren zur Abfallerkennung einer magnetbetriebenen Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Abfallerkennung einer magnetbetriebenen Vorrichtung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ab­ fallerkennung einer magnetbetriebenen Vorrichtung, ins­ besondere eines Magnetventils, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Magnetventilen ist es bekannt (siehe DE 38 17 770), die Magnetwicklung entweder mit einem Längsregler oder mit einem Schaltregler mit Strom zu versorgen. Der Reg­ ler hat dabei die Aufgabe, die zu hohe Batteriespannung auf den für die Magnetspule benötigten Wert herabzuset­ zen.
Da ein Schaltregler bedeutend geringere Verluste er­ zeugt, wird dieser für die Versorgung von Magnetventi­ len bevorzugt angewendet. Der Schaltregler schaltet da­ bei zum Einschalten zunächst die Versorgungsspannung auf die Magnetspule. Hierdurch entsteht ein e-funkti­ onsförmig ansteigender Strom. Sobald dieser Strom einen oberen Grenzwert erreicht hat, schaltet der Regler die Spannung wieder ab. Hierdurch senkt sich der Strom wie­ der, ebenfalls nach einer e-Funktion. Sobald der Strom auf einen unteren Grenzwert abgesunken ist, wird die Versorgungsspannung wieder eingeschaltet, usw. Hier­ durch ergibt sich eine mittlere, für die Magnetspule geeignete Versorgungsspannung.
Um das bekannte Magnetventil schnell und sicher ein­ schalten zu können, wird für die erste Periode ein re­ lativ hoher Strom zugelassen. Nachdem hierdurch der An­ ker des Magnetventils gegen die Kraft einer Rückholfe­ der angezogen hat, wird der Strom auf einen niedrigeren mittleren Haltestrom abgesenkt. Zur Energieeinsparung im Dauerbetrieb wird dieser Haltestrom möglichst klein eingestellt. Es besteht hierfür jedoch eine untere Stromgrenze, um mit Sicherheit ein Abfallen des Ankers im Dauerbetrieb bzw. Haltebetrieb zu verhindern. Diese untere Stromgrenze muß aber höher angesetzt werden, wenn sich das Magnetventil in einem Bereich mit mecha­ nischen Erschütterungen befindet. Ein solcher Bereich liegt z. B. immer vor, wenn das Ventil in einem Kraft­ fahrzeug, besonders in der Nähe des Motors, angeordnet ist. Solche Erschütterungen können dazu führen, daß der Anker des Magnetventils ungewollt abfällt und das Ven­ til dadurch ein Druckmittel ungewollt zu- oder abschal­ tet. Eine solche Fehlschaltung muß aber unter allen Um­ ständen vermieden werden, insbesondere, wenn das Ventil in einem sicherheitsrelevanten Bereich, beispielsweise in einem Antiblockiersystem eines Fahrzeugs, eingesetzt ist.
Es sind bereits Anordnungen bekannt (DE 27 28 666, DE 38 17 770), welche ein Nichteinschalten eines Magnetventils infolge eines festgeklemmten Ankers er­ kennen können. Dabei wird der Verlauf des Einschalt­ stromes überwacht, welcher zum Zeitpunkt der Ankerbewe­ gung einen typischen Knick aufweist. Fehlt dieser Knick, ist dies ein Anzeichen dafür, daß sich der Anker nicht bewegt hat, also verklemmt ist.
Die vorliegende Erfindung zielt jedoch in eine andere Richtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches ohne Verwendung von besonde­ ren Sensoren erkennbar ist, daß der Anker einer magnet­ betriebenen Vorrichtung, insbesondere eines Magnetven­ tiles, welches sich im oben beschriebenen Haltebetrieb befindet, durch äußere mechanische Erschütterungen un­ gewollt abfällt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ent­ haltene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt neben der sicheren Erkennung des Fehlerzustandes "abgefallener Anker" darin, daß der Sicherheitszuschlag für den Haltestrom erheblich verkleinert werden kann, und zwar so weit, daß sich die Verlustleistung des Ven­ tils im Dauerbetrieb etwa halbiert. Hierdurch kann auch das Bauvolumen des Ventils verkleinert werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß zweckmäßig nach einem erkannten Ankerabfall sofort ein neuer Einschalt­ impuls abgegeben werden kann, um so den ungestörten Zu­ stand wieder herzustellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines von einem Schaltregler versorgten Magnetventils.
Die Fig. 2 zeigt die Ansteuerung eines Magnetventils mit einem Mikrocontroller.
Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm des Spulen­ stromes (i) des Magnetventils über der Zeit (t).
In der Fig. 1 ist schematisch ein Blockschaltbild mit einem Magnetventil (MV) dargestellt, welches von einem Schaltregler (SR) im Zwei-Punkt-Betrieb geregelt wird. Der Schaltregler (SR) sendet einen alternierenden Spu­ lenstrom (i) durch die Spule des Magnetventils. Der Strom wird von einer Versorgungsspannung UB des Schaltreglers erzeugt. Zur Steuerung des Schaltreglers dient eine Elektronik (E). Diese kann auch vom Schaltregler (SR) Signale, wie z. B. die Regelfrequenz, empfangen.
Die Fig. 2 zeigt eine Variante für die Ansteuerung des Magnetventils (MV). Von einem Mikrocontroller (µC) wird über einen Verstärker (V) mit einer Versorgungsspannung (UB) das Magnetventil (MV) alternierend angesteuert. Der jeweilige Strom (i) wird an einem Meßwiderstand (RM) von etwa 0,1 Ohm sensiert und dem Mikrocontroller (µC) zurückgemeldet. Zur Erleichterung der Abschaltung des Spulenstromes ist eine Feilaufdiode (D) vorgesehen.
Als Mikrocontroller (µC) kann vorteilhaft der Typ C167 der Fa. Siemens verwendet werden. Als Schaltregler (SR) kann der Typ TCA965B der Fa. Siemens verwendet werden.
In der Fig. 3 ist ein Diagramm des Spulenstromes (i) über der Zeit t dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 soll das Magnetventil (MV) eingeschaltet werden. Hierzu legt der Schaltregler (SR) bzw. der Mikrocontroller (µC) die volle Batteriespannung (UB) an die Spule des Magnetven­ tils (MV). Der Strom (i) steigt dadurch nach einer e-Funk­ tion steil an, bis er im Zeitpunkt t2 einen oberen Grenzwert (i3) erreicht hat. Dieser wird vom Schaltreg­ ler (SR) bzw. Mikrocontroller (µC) sensiert, und dar­ aufhin die Batteriespannung (UB) wieder abgeschaltet.
An dem im Zeitpunkt t1 in der Stromkurve auftretenden Knick erkennt man, daß der Anker des Magnetventils an­ gezogen hat.
Durch die anfängliche hohe Spannungsbeaufschlagung mit der vollen Batteriespannung (UB), die erheblich größer ist als die Nennspannung des Magnetventils (MV), wird ein schnelles Einschalten des Magnetventils (MV) er­ reicht. Der bei t2 erreichte Grenzstrom (i3) ist jedoch keinesfalls für dem Dauerbetrieb des Magnetventils ge­ eignet. Im Zeitpunkt t2 bei Erreichen des Grenzwertes (i3) schaltet deshalb der Schaltregler (SR) bzw. der Mikrocontroller (µC) die Batteriespannung (UB) wieder ab, und der Strom (i) wird daraufhin über einen im Schaltregler (SR) befindlichen Freilauf bzw. die Frei­ laufdiode (D) wieder abgesenkt.
Sobald der Strom einen unteren Grenzwert (i1) im Zeit­ punkt t3 erreicht hat, beginnt eine Zwei-Punkt-Rege­ lung. Das heißt, daß die Batteriespannung (UB) wieder angeschaltet wird, bis der Strom einen oberen Grenzwert (i2) erreicht hat. Dies ist im Zeitpunkt t4 der Fall. Daraufhin wird die Batteriespannung wieder abgeschal­ tet. Im folgenden bewegt sich also der Spulenstrom (i) immer in den Grenzen zwischen (i1) und (i2). Dieser Zu­ stand wird als Haltebetrieb bezeichnet. Der jetzt flie­ ßende mittlere Strom ist so bemessen, daß der Anker des Magnetventils (MV) sicher im eingeschalteten Zustand gehalten wird. Der genannte mittlere Strom würde aber für eine Einschaltung nicht ausreichen.
Im Zeitpunkt t5 möge nun eine stärkere Erschütterung auf das Magnetventil (MV) einwirken, wodurch dessen An­ ker gegen die Wirkung des Haltestroms losgerissen wird und abfällt.
Wie durch Messungen nachgewiesen wurde, ergibt sich da­ durch ein charakteristischer Stromverlauf, wie in der Fig. 3 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 schematisch dargestellt. Der genaue Verlauf ist von der Bauart des Magnetventils (MV), der Windungszahl der Magnetspule, und dem gerade im Zeitpunkt t5 fließenden Strom I1 ab­ hängig. Infolge des sich plötzlich vergrößernden Luftspaltes im magnetischen Kreis verringert sich die Induktivität (L) der Spule nach dem Zusammenhang
mit
N = Windungszahl der Spule
RFe = magnetischer Widerstand des Eigenkerns
RLuft = magnetischer Widerstand des Luftspalts.
Die vorher im magnetischen Kreis gespeicherte Energie (W)
entlädt sich und führt zu einem kurzzeitigen Anstieg des Spulenstroms i von Wert I1 auf den Wert I2. Der Strom fällt dann wieder ab bis auf den Wert i1 im Zeit­ punkt t6. Ab hier geht die normale Zwei-Punkt-Regelung (mit erhöhter Frequenz infolge der verringerten Spulen-Induktivität) weiter.
Gemäß der Erfindung wird nun zur Abfallerkennung des Ankers die gemäß Fig. 3 deutlich verlängerte und in der Amplitude vergrößerte Periode im Anschluß auf dem An­ ker-Abfall von t5 bis t6 ausgewertet. Derartige Auswer­ tungen sind von geeigneten Elektroniken oder von ge­ bräuchlichen Mikrocontrollern leicht durchzuführen.
Zweckmäßig kann insbesondere die sich nach dem Abfalls des Ankers des Magnetventils (MV) während des Haltebe­ triebs ergebende Verlängerung der Periodendauer des Spulenstromes i (t5 bis t6) zur Fehlererkennung ausge­ wertet werden. Diese ist im Vergleich zur normalen Pe­ riodendauer etwa verdoppelt. Zur Auswertung kann die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Fehlermeldung abge­ ben, wenn die Periodendauer (t5 bis t6) einen festge­ setzten Grenzwert überschreitet.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn nach einem erkannten Ankerabfall im Haltebetrieb automatisch ein neuer Ein­ schaltimpuls (t0-t3)abgegeben wird. Hierdurch wird der Fehler sofort wieder beseitigt.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann zweckmäßig die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Vor­ richtung zur Erfassung der Periodendauer des Spulen­ stroms i aufweisen. Dabei kann die Periodendauer durch Auszählung der Zeiten zwischen den Minimalwerten (i1) des Spulenstroms i bestimmt werden.
Alternativ kann auch die sich während eines Abfalls des Ankers des Magnetventils MV während des Haltebetriebs ergebende Erhöhung des Spulenstroms i auf einen Maxi­ malwert I2 (s. Fig. 3) zur Fehlererkennung ausgewertet werden. Das erfolgt zweckmäßig dadurch, daß die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Fehlermeldung abgibt, wenn der Spulenstrom i einen festgesetzten Grenzwert über­ schreitet. Anschließend kann wieder nach dem erkannten Ankerabfall im Haltebetrieb automatisch ein neuer Ein­ schaltimpuls abgegeben werden.
Zur Stromauswertung kann die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Vorrichtung zur Erfassung der Höhe des Spulen­ stroms i aufweisen. Hierzu wird der Spulenstrom i durch den Spannungsabfall an einem Meßwiderstand (RM) be­ stimmt.
Außer bei Magnetventilen kann das erfindungsgemäße Ver­ fahren auch bei anderen magnetisch betriebenen Vorrich­ tungen, wie z. B. bei elektrischen Betätigungsmagneten angewendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Abfallerkennung einer magnetbetrie­ benen Vorrichtung mit einem Anker, insbesondere ei­ nes Magnetventils (MV), wobei die Spule des Magnet­ ventils durch einen Schaltregler (SR) oder einen Mikrocontroller (µC) im Zwei-Punkt-Betrieb mit ei­ nem Strom (i) versorgt wird, und wobei zum Ein­ schalten ein hoher Strom, und im Haltebetrieb ein verminderter Strom durch die Spule des Magnetven­ tils geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich im Moment des Abfalls des Ankers erge­ bende, besondere Periodenform des Spulenstroms i durch eine elektronische Auswertung erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich während eines Abfalls des Ankers des Magnetventils (MV) während des Haltebetriebs erge­ bende Verlängerung der Periodendauer des Spulen­ stromes i (t5 bis t6) zur Fehlererkennung ausgewer­ tet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine mit dem Schaltregler (SR) ver­ bundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Fehlermeldung abgibt, wenn die Perioden­ dauer (t5 bis t6) einen festgesetzten Grenzwert überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach einem erkannten Ankerabfall im Haltebetrieb automatisch ein neuer Einschaltimpuls abgegeben wird.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Vorrichtung zur Erfassung der Periodendauer des Spulenstroms i auf­ weisen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Periodendauer durch Auszählung be­ stimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die sich während eines Abfalls des Ankers des Magnetventils MV während des Haltebetriebs erge­ bende Erhöhung des Spulenstroms i auf einen Maxi­ malwert 12 zur Fehlererkennung ausgewertet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elek­ tronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Feh­ lermeldung abgibt, wenn der Spulenstrom i einen festgesetzten Grenzwert überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach einem erkannten Ankerabfall im Haltebetrieb automatisch ein neuer Einschaltimpuls abgegeben wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schaltregler (SR) verbundene Elektronik (E) oder der Mikrocontroller (µC) eine Vorrichtung zur Erfassung der Höhe des Spulenstroms i aufweisen.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spulenstrom i durch den Spannungsab­ fall an einem Meßwiderstand (RM) bestimmt wird.
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