DE19910497A1 - Lagemessung eines in einer Magnetspule betätigten Magnetankers - Google Patents

Lagemessung eines in einer Magnetspule betätigten Magnetankers

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lagemessung eines in einer Magnetspule gelagerten Magnetankers, der mittels eines durch eine an die Magnetspule angelegte Betriebsspannung (u) erzeugten Magnetfeldes aus seiner Ruheposition heraus in eine bestimmte Richtung verschoben wird. Dieses in Proportionalstromventilen zur Erzeugung eines zu einem Eingangssignal proportionalen Volumenstroms eingesetzte Prinzip unterliegt Störkräften in Form von Strömungs- und Reibungswiderständen, weshalb eine genaue Lagemessung des Magnetankers erforderlich wird, wenn aus Sicherheitsgründen exakte Volumenströme bereitgestellt werden sollen oder gesetzliche Vorschriften dies verlangen. Um eine exakte Sensorik zur Lagemessung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die differentielle Induktivität (L¶D¶) durch Messung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms (i) gemäß DOLLAR A L¶D¶ = DELTAt/DELTAi (u - R È i) DOLLAR A zu berechnen, wobei R den ohmschen Widerstand der Magnetspule und DELTAi die Änderung des Spulenstroms (i) im Zeitintervall DELTAt darstellt, und hieraus nach vorheriger Eichung der Ankerposition als Funktion der differentiellen Induktivität (L¶D¶) die jeweilige Ankerposition zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lagemessung eines in einer Magnetspule gelagerten Magnetankers, der mittels eines durch eine an die Magnetspule angelegte Betriebsspannung (u) erzeugten Magnetfeldes aus seiner Ruheposition heraus in eine bestimmte Richtung verschoben wird.
Die in einer Magnetspule durch das erzeugte Magnetfeld verursachte und durch die Höhe des Spulenstroms regelbare Auslenkung eines Magnetankers wird beispielsweise in Proportionalstromventilen ausgenutzt, um einen einem elektrischen Eingangssignal proportionalen Volumenstrom einzustellen. Der Magnetanker wirkt hierbei gegen die Rückstellkraft einer Feder und wird durch die vom Spulenstrom abhängige magnetische Kraft gegen diese ausgelenkt, wodurch eine Überströmfläche freigegeben wird, über die dann ein Fluid fließt. Durch geeignete Geometrie des Strömungsquerschnitts sowie des Magnetpols mit geeigneter Kennlinienbeeinflussung ist es möglich, den Volumenstrom proportional zum elektrischen Eingangssignal einzustellen.
Hierbei auftretende Reibungs- und Strömungskräfte können jedoch diesen linearen Zusammenhang stören und stattdessen eine Hysterese erzeugen, d. h. einen nichtlinearen und/oder unstetigen Verlauf des Volumenstroms in Abhängigkeit vom Eingangssignal.
Dies führt ohne Nachkorrekturen zu zunehmenden Abweichungen . des tatsächlichen Volumenstroms von einzuhaltenden Sollwerten. Bei exakt arbeitenden Ventilen ist es aus diesem Grund notwendig, mittels eines Lageregelsystems die aktuelle Position des Steuerschiebers zu bestimmen und Abweichungen vom Sollwert zu korrigieren, um den Einfluß der Störkräfte auf diese Weise zu kompensieren. Bei bestimmten Ventilen ist die Bestimmung der Position des Schiebers wegen gesetzlicher Vorschriften, d. h. aus Sicherheitsgründen, notwendig. Derartige Lageregelsysteme messen mittels Wegsensoren die Position des Steuerschiebers oder des mit dem Schieber kraft- oder formschlüssig gekoppelten Magnetankers. Die häufig induktiv arbeitenden Wegsensoren sind außerhalb des den Steuerschieber betätigenden Magneten als Zusatzeinheit angebracht oder mit diesem in baulicher Einheit integriert.
Induktive Wegsensoren benutzen ein Spulensystem, dessen Induktivität und damit die induzierte Spannung von der zu messenden Lage des Steuerschiebers abhängt. Ein induktiver Wegsensor, der die Lage eines innerhalb einer Meßspule axial bewegbaren Kernes mißt, ist aus der DE-33 43 885 C2 bekannt. Dort wird die Meßspule mit einem Spannungsstoß angeregt und aus dem resultierenden Ladestrom eine von der jeweiligen Verschiebung des Kernes abhängige Induktivitätsgröße der Meßspule ermittelt.
Nachteilig wirkt sich hierbei der apparative Aufwand eines zusätzlichen Lagemeßsystems aus, das die Auslegung des eigentlichen Betätigungsmagnetsystems beeinflußt, die Abmessungen des Gesamtsystems vergrößert, und das zudem eine eigene störanfällige Sensoreinheit darstellt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, die Position des Magnetankers und damit des betätigten Elements ohne zusätzliche Sensoreinheiten zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird in der Ansteuerelektronik der Magnetspule permanent oder zu vorgegebenen Zeiten die differentielle Induktivität gemessen aus deren Wert die Position des Magnetankers und damit die Lage des angetriebenen Elements bestimmt wird. Somit fungiert das Stellglied (Magnetanker, Betätigungselement) selbst als Sensor, ohne daß ein zusätzlicher Wegsensor nötig wäre. Für den Spulenstrom (i) gilt beim Anlegen einer Betriebsspannung (u) an die Magnetspule
LD.di/dt = u - R.i (1)
wobei R den Ohmschen Widerstand des Spulensystems darstellt und LD die differentielle Induktivität der Magnetspule. Der Spulenstrom steigt nach Einschalten der Betriebsspannung folglich steil an und strebt dann langsam der Sättigung u/R zu.
Die differentielle Induktivität ist definiert als Ableitung des verketteten magnetischen Flusses durch die Magnetspule nach dem Strom. In linearen Magnetkreisen ist die differentielle Induktivität stromunabhängig, hängt aber von der Geometrie der Magnetspule, von der Permeabilität des Magnetankers sowie von der veränderlichen Position des Magnetankers in der Spule ab, so daß für einen gegebenen Betätigungsmagneten ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Größe LD und der Position des Magnetankers aufgestellt werden kann. Die Berechnung der Größe LD erlaubt dann eine direkte Lagebestimmung. Bei großer Aussteuerung des Magnetkreises gilt aufgrund von Sättigungseffekten dieser Zusammenhang nicht mehr, daher muß die Messung von LP bei einem Strom erfolgen, bei dem keine Sättigungseffekte auftreten.
Gemäß oben genannter Formel läßt sich LD aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Spulenstroms (1) bestimmen:
LD = Δt/Δi (u - R.i) (2)
wenn die Größen u, die Betriebsspannung, und R, der Gesamtwiderstand, bekannt sind.
Hieraus ergibt sich nach vorheriger Eichung die Lage des Magnetankers. Anstelle eines externen Wegsensors wird somit erfindungsgemäß die Spule des Betätigungsmagneten mit dem Magnetanker selbst zur Lagemessung verwendet. Dies verringert den apparativen Aufwand und erlaubt eine kompaktere Bauweise.
Im Falle eines sogenannten Proportionalmagneten, wie er in Proportionalstromventilen eingesetzt wird, ist der Magnetanker meist nur in eine Richtung aus seiner Ruhelage heraus gegen eine Federkraft bewegbar. Die Auslenkung ist dann proportional zur in der Magnetspule auf den Anker wirkenden Kraft, die durch Anlegen der Betriebsspannung bzw. den hierdurch fließenden Spulenstrom erzeugt wird.
Die Ansteuerung von Proportionalmagneten erfolgt in der Regel mit einer getakteten Endstufe, durch die die Betriebsspannung (u) mit einem variablen Impuls- Pausenverhältnis auf die Spule durchgeschaltet wird. In den Pausen kann der Spulenstrom durch eine Diode weiterfließen. Durch Regelung des Verhältnisses der Pulsweite zur Pausenweite läßt sich ein mittlerer Spulenstrom festlegen. Aus diesem Grunde wird meist mittels eines Stromregelkreises über die Stellgröße des Pulsweitenverhältnisses der mittlere Spulenstrom als Regelgröße bestimmt.
Bei dieser impulsweisen Ansteuerung des Proportionalmagneten besteht der zeitliche Verlauf des Spulenstroms aus aufeinanderfolgenden Abschnitten, in denen der Strom ansteigt, und in denen er abfällt. Die Steigung ist jeweils durch die in Gleichung (1) dargestellte Beziehung gegeben. Der mittlere Strom (I) bestimmt die Auslenkung des Magnetankers. Um diese Auslenkung zu ermitteln, wird erfindungsgemäß die differentielle Induktivität nach Gleichung (2) wie folgt berechnet:
Die Spannung u ist die jeweils anliegende Betriebsspannung, die taktweise durchgeschaltet wird. In den Pausen nimmt u jeweils den negativen Wert der Diodendurchlaßspannung an. Es ist folglich günstig, in den Impulspausen mit bekanntem u zu messen. Der Widerstand R läßt sich aus dem Tastverhältnis und dem daraus resultierenden Strom ableiten. Der Strom i wird laufend gemessen, um die oben angesprochene Stromregelung realisieren zu können. Somit sind alle Größen gegeben, die notwendig sind, um aus dem gemessenen Verhältnis Δi/Δt die differentielle Induktivität berechnen zu können.
Hierzu wird mit Vorteil jeweils bei zwei vorgegebenen Stromwerten i1 und i2 das zugehörige Zeitintervall Δt im Stromverlauf gemessen, um die Abhängigkeit der Größe LD vom Strom gering zu halten.
Werden die beiden Spulenstromwerte während eines jeden Impuls-Pausen-Intervalls angenommen, so kann theoretisch in jedem Intervall gemessen werden. Mit Vorteil erfolgt die Messung im Bereich des absinkenden Spulenstroms, da hier u durch die Diodendurchlaßspannung festgelegt ist.
Im Bereich geringer Stromwerte besteht ein streng monotoner, nahezu linearer Zusammenhang zwischen differentieller Induktivität und den Lagewerten. Bei höheren Stromstärken werden diese Kennlinien nichtlinear. Daher ist es günstig, die beiden Strommeßwerte i1 und i2 bei einem getakteten Stromverlauf in dessen Minima zu legen.
Falls aufgrund eines hohen mittleren Stromwertes (I) der Spulenstromverlauf ständig oberhalb der beiden vorgegebenen Strommeßwerte i1 und i2 liegt, kann die Messung jeweils nach einer bestimmten Zahl von Pulsen während einer kurzzeitigen Taktpause erfolgen, in der der Spulenstrom soweit absinkt, daß er das durch i1 und i2 vorgegebene Meßintervall durchläuft.
Im Fall einer schnellen Bewegung des Magnetankers induziert dieser seinerseits eine Spannung in der Magnetspule (Gegeninduktion), so daß Gleichung (2) nur noch näherungsweise erfüllt ist. Es ist deshalb günstig, die Meßintervalle in Bereiche zu legen, in denen der mittlere Spulenstrom über mehrere Pulse hinweg konstant bleibt. So kann auch während der Bewegung des Ankers auf die Lageerfassung verzichtet werden und bei abgeschlossenem Stellvorgang der dann gewonnene Positionsistwert jeweils zur Korrektur der Ankerposition genutzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Abfall- und die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes auszuwerten. Auf diese Weise kann zusätzlich noch auf die Ankergeschwindigkeit geschlossen werden.
Im folgenden soll anhand der beigefügten Figuren die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Fig. 1 stellt den gemessenen zeitlichen Verlauf des Magnetspulenstromes i(t) bei einem pulsweise angesteuerten Proportionalstromventil mit einem mittleren Stromwert (I) von 0,5 A graphisch dar.
Fig. 2 zeigt einen solchen Stromverlauf für einen mittleren Stromwert (I) von 1,46 A mit eingeschobenen Meßintervallen zur Positionsbestimmung des Magnetankers.
Bekannte Proportionalstromventile werden wie bereits ausgeführt meist mit einer getakteten Endstufe betrieben, die durch Regelung des Impuls-Pausenverhältnisses einen mittleren Spulenstrom (I) erzeugt, zu dem der vom Ventil freigegebenen Volumenstrom proportional ist.
Fig. 1 zeigt den gemessenen Spulenstromverlauf für eine durchgeschaltete Betriebsspannung u = 24 V und einer Diodendurchlaßspannung von u = 0,8 V im Freilaufzustand, bei einem Gesamtwiderstand R = 11 Ω und einem Impuls- Pausenverhältnis von etwa 1 : 2, entsprechend etwa 2,5 : 5,0 ms. Das Zeitintervall At wird zu zwei vorgegebenen Stromwerten, i2 = 0,5 A und i1 = 0,4 A, gemessen, und zwar jeweils bei abfallendem Stromverlauf (Freilaufzustand). Aus Gleichung (2) läßt sich nunmehr LD in jedem Pulsintervall bestimmen, woraus sich nach vorheriger Eichung die jeweilige Position des Magnetankers ergibt.
Fig. 2 zeigt einen zur Fig. 1 analogen Stromverlauf mit einem mittleren Stromwert von etwa 1,46 A mit eingeschobenen Meßintervallen. Der Stromverlauf (ohne Meßintervall) liegt ständig über den fest vorgegebenen Strommeßwerten i1 und i2. Bei diesen höheren Spulenströmen ist die differentielle Induktivität vom Spulenstrom derart abhängig, daß sich ein vorher für niedrige Ströme geeichter Zusammenhang zwischen Induktivität und Ankerposition nicht mehr übertragen läßt. Eine Lagebestimmung gemäß Fig. 1 kann deshalb nicht mit ausreichender Genauigkeit erfolgen. Folglich muß zur genauen Messung ein Meßintervall mit größerem Pausentakt eingeführt werden, währenddessen der Magnetspulenstrom auf geeignete niedrige Werte sinken kann. Nach jeweils drei Pulsintervallen kann, wie in Fig. 2 dargestellt, zu diesem Zweck die Taktpause verlängert werden, bis zumindest der niedrige Stromwert i1 = 0,4 A gerade erreicht ist. Die Berechnung von LD erfolgt dann wie bereits oben angegeben. Bei entsprechender Abstimmung zwischen der mechanischen Trägheit des betätigten Ventilschiebers und der Zeitkonstanten des Spulenstromverlaufs kommt es im Meßintervall zu keiner störenden Verschiebung des Magnetankers.
Mit den auf diese Weise erhaltenen Lagewerten kann eine wiederholte Korrektur der Magnetankerposition vorgenommen werden.
Die Erfindung erlaubt eine ständige genaue Lagemessung des Proportionalmagneten im Ventil ohne zusätzliche Sensorik durch einfache Auswertung des gemessenen Stromverlaufs im Betätigungsmagneten, womit erhebliche Einsparungen an apparativem Aufwand und die Möglichkeit einer kompakteren Bauweise von Proportionalstromventilen verbunden ist.
Es sei noch einmal betont, daß das dargestellte Meßverfahren nicht nur auf den Einsatz bei Proportional- Stromventilen beschränkt ist, sondern allgemein für alle proportional arbeitenden Stellmagnete, auch außerhalb hydraulischer Anwendungen, gilt bzw. einsetzbar ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Lagemessung eines in einer Magnetspule gelagerten Magnetankers, der mittels eines durch eine an die Magnetspule angelegte Betriebsspannung (u) erzeugten Magnetfeldes aus seiner Ruheposition heraus in eine bestimmte Richtung verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die differentielle Induktivität (LD) durch Messung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms (i) gemäß
LD = Δt/Δi (u - R.i)
bestimmt wird, wobei R den Ohmschen Widerstand der Magnetspule und Δi die Änderung des Spulenstroms (i) im Zeitintervall Δt darstellt, und hieraus nach vorheriger Eichung der Ankerposition als Funktion der differentiellen Induktivität (LD) die jeweilige Ankerposition bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (u) mit einem variablen Impuls- Pausenverhältnis an die Magnetspule angelegt wird, wobei durch Regelung des Pulsweitenverhältnisses ein mittlerer Spulenstrom (I) festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei feste Spulenstromwerte (i1, i2) gewählt und das Zeitintervall Δt = t2 - t1 gemessen wird, für das Δi = i2 - i1 = i (t2) - i (t1).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Impuls-Pausen-Intervall die Werte Δt und Δi einmal bestimmt werden, insbesondere im Bereich des absinkenden Spulenstroms.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählten festen Spulenstromwerte (i1, i2) in den Bereich der Minima des periodischen Spulenstromverlaufs gelegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei feste Stromwerte (i1, i2) gewählt werden, und daß - falls der Spulenstrom ständig außerhalb des Intervalls Δi = i2 - i1 liegt - in vorbestimmten Meßintervallen das Impuls-Pausen-Verhältnis derart eingestellt wird, daß der Spulenstrom das Intervall Δi durchläuft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung von Δt und/oder Δi in Bereichen erfolgt, in denen der mittlere Spulenstrom (I) über mehrere Impuls-Pausen-Intervalle konstant ist.
8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung und Regelung der Position eines von einem Magnetanker betätigten Steuerschiebers in einem Proportionalstromventil, bei dem der vom Steuerschieber freigegebene Volumenstrom durch das Ventil proportional zum Spulenstrom (i) ist, wobei eine Abweichung des berechneten Positionsistwertes vom Positionssollwert des Steuerschiebers durch Regelung des Spulenstroms kompensiert wird.
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