DE2132717A1 - Ansteuerschaltung fuer magnetventile hoher schaltgeschwindigkeit, insbesondere einer hydraulischen stelleinrichtung - Google Patents

Ansteuerschaltung fuer magnetventile hoher schaltgeschwindigkeit, insbesondere einer hydraulischen stelleinrichtung

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DE2132717A1 DE19712132717 DE2132717A DE2132717A1 DE 2132717 A1 DE2132717 A1 DE 2132717A1 DE 19712132717 DE19712132717 DE 19712132717 DE 2132717 A DE2132717 A DE 2132717A DE 2132717 A1 DE2132717 A1 DE 2132717A1
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Description

R. 407
25.6.1971 Jo/Dr
Anlage zur
Patentanmeldung
ROBERT BOSCH GNEH, 7 Stuttgart 1
Ansteuerschaltung für Magnetventile hoher Schaltgeschwindigkeit, insbesondere einer h7/draulisehen Stelleinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für Hagnetventile hoher Schaltgeschwindigkeit, die zur Begrenzung der an jeweils wenigstens ein Magnetventil abzugebenden elektrischen Leistung an die Ventilwicklung zum Öffnen des Ventils einen Anzugsstrom liefert, der wesentlich größer als der zum anschließenden Offenhalten des Ventils erforderliche Haliistrom ist, mit einem der Ventilwicklung vorgeschalteten Transistor-Stellglied und mit einem das Transistor-Stellglied steuernden Regelverstärker.
Es sind Brennstoff-Einspritzsysteme bekannt, in denen den Ventilwieklungen elektrische Impulse zugeführt werden, deren
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Anfangsabschnitte eine größere Amplitude aufxtfeisen, als die Restabschnitte der Impulse. Derartige Vorrichtungen werden aus Eahrzeug-Batterien gespeist, deren Spannung in weiten Grenzen schwanken kann. Die Amplituden der beiden Impulsabschnitte sind dabei so gewählt-, daß auch an der unteren Grenze der Batteriespannung ein sicheres Arbeiten der Ventile gewährleistet ist. Das bedeutet, daß die Ventile schon bei mittlerer Batterie spannung zusätzlich zu der ohnehin sehr großen thermischen, aus der Umgebung herrührenden Belastung ™ ' auch von der elektrischen Seite her in hohem Maße durch Erwärmung beansprucht werden, was zu Störungen und sogar Ausfällen einzelner Ventile führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Maß der Erwärmung des jeweils angesteuerten Magnetventils so gering wie möglich zu halten. Eine wirkungsvolle Lösung ergibt sich, wenn gemäß der Erfindung dem Eingang des Regelverstärkers bis zum Erreichen des Anzugswerts des durch die Ventilwicklung des Magnetventils fließenden Erregerstroms die Ausganssspannung des Stellglieds zugeführt wird, wodurch der Erregerstrom auf den Anzugswert begrenzt wird.
Eine übermäßige Erwärmung.wird weiterhin vermieden, .wenn in Ausgestaltung der Erfindung nach Erreichen des Anzugswerts dem Eingang des Regelverstärkers eine zu dem Erregerstrom proportionale Spannung .zugeführt wird, wodurch der Erreger-.strom auf den zum Offenhalten des Magnetventils gerade ausreichenden Haltestromwert begrenzt wird.
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausfunrungsbeispiels .näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Mg. 1 das Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für
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Hagnetventile,
Fig. 2 das elektrische Schaltbild der Ansteuerschaltung und Fig. 3 ein Diagramm mit der Ausgangs spannung Ur7Q des Stellgliedes und dem Erregerstrom x^q sowie mit der Eingangsspännung u^q des Regelverstärkers der Ansteuerschaltung in Abhängigkeit von der Zeit t.
Die Ansteuerschaltung enthält eine Schaltstufe 10 mit einem Eingang E. Von der Schaltstufe 10 wird eine als Transistor-Stellglied wirkende Leistungs-Endstufe 20 gesteuert, die über einen Längswiderstand 41 die Ventilwicklung 70 eines Magnetventils mit einer Versorgungsleitung 91 verbindet, die zu einer nicht weiter dargestellten Quelle der Betriebsspannung TJ-D führt. Die zweite Klemme der Ventilwicklung 70 liegt an einer Masseleitung 92 und hat dadurch ebenfalls Kontakt zu der nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle.' Der gemeinsame Anschluß der Leistungs-Endstufe 20 und der Ventilwicklung 70 ist mit einem Regelverstärker 30 verbunden, der die Leistungs-Endstufe 20 regelt. Der mit der Leistungs-Endstufe 20 gemeinsame Anschluß des Längswiderstands 41 ist über einen Spannungsteiler 40 mit einer Grenzwert-Schaltung 50 und diese mit dem Regelverstärker 30 verbunden. Ein zweiter Eingang der Grenzwert-Schaltung 50 liegt an der Versorgungsleitung 91· Der erste Eingang der Grenzwert-Schaltung 50 steht über eine Konstant-Stromquelle 60 außer mit dem Spannungsteiler 40 auch mit dem Regelverstärker 30 in Verbindung.
Die einzelnen Baugruppen sind gemäß Fig. 2 wie folgt aufgebaut :
Der Eingang E der Schaltstufe 10 und der Ansteuerschaltung
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überhaupt wird gebildet von einem Eingangswiderstand 11, der an der Basis eines npn-Schalttransistors 12 liegt. Diese Basis ist über einen Basiswiderstand 13 und über eine Versorgungsleitung 91 mit der nicht weiter dargestellten Betriebsspannungsquelle verbunden, ebenso über einen Emitterwiderstand 14- der Emitter des Schalttransistors 12. Der Kollektor des Schalttransistors 12 hat Verbindung mit dem Eingang der Leistungs-Endstufe 20 und mit dem Regelverstärker 30. · ' ~ ■■ .
Die Leistungs-Endstufe 20 enthält im wesentlichen eine Endstuf en-Easkade, die aus einem npn-Vortransistor 21#und einem npn-Leistungstransistor 22 aufgebaut ist. Der Vortransistor 21 bildet mit seiner Basis den Eingang der Leistungs-Endstufe 20 und ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand 24 an die Versorgungsleitung 911 mit seinem Emitter an die Basis des '■ Leistungstransistors 23 angeschlossen. Dieser hängt über den Längswiderstand 4-1 mit seinem Kollektor an der Versorgungsleitung 91· Der den Ausgang der Ansteuerschaltung bildende Emitter des Leistungstransistors 22 ist einerseits mit der Ventilwicklung 70, andererseits über einen Basiswiderstand 25 mit der Basis des Leistungstransistors und über einen zweiten Basiswiderstand 23 mit dem Eingang der Leistungs-Endstufe 20 sowie weiterhin über eine Hochspannungsdiode 26 mit einem Spannungsteiler aus zwei Widerständen 27 und 28 verbunden. Die Hochspannungsdiode 26 liegt mit ihrer Anode am Ausgang der Ansteuerschaltung, der Spannungsteiler mit dem Widerstand 28 an der Masseleitung 92 und von einem Abgriff zwischen den Widerständen 27 und 28 aus am Eingang des Regelverstärkers 30.
Der Basis eines npn-Regeltransistors 33 innerhalb des Regelverstärkers 30 sind eine Diode 31, eine Z-Diode 32 und als
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Verbindung zur Masseleitung 92 ein Basiswiderstand 35 vorgeschaltet; dabei sind die Kathoden der Dioden 31 und 32 miteinander und die Anode der Z-Diode 32 mit der Basis des Schalttransistors 33 verbunden. Der Emitter des Regeltransistors 33 liegt direkt an der Masseleitung 92, der Kollektor über eine Hochspannungsdiode 34-, diese mit ihrer Anode, am Eingang der Leistungs-Endstufe 20 und, wie bereits erwähnt," am Kollektor des Schalttransistors 12.
Der zuvor beschriebene Längswiderstand 41 gehört zum Spannungsteiler 40, der außerdem zwei Widerstände 42,43 und eine Diode 44 enthält, über den Spannungsteiler 27»28 hat der Spannungsteiler 40 von seinem Widerstand 43 aus eine Verbindung zur Masseleitung 92 und von einem Abgriff zwischen dem Widerstand 43 und der Kathode der Diode 44 aus Anschluß an einen Eingang der GrenzwerteSchaltung 50» die Basis eines pnp-Transistors 56·
Die Grenzwert-Schaltung 50 enthält einen zweiten pnp-Transistor 51 j dessen Basis ein zwischen der Versorgungsleitung 91 und der Masseleitung 92 angeordneter Spannungsteiler vorgeschaltet ist, bestehend aus einem Widerstand 53, einer Diode ^ und einem Widerstand 54·· Die Basis des Transistors 51 greift zwischen der Kathode der Diode 55 und dem Widerstand 54- eine zu der Betriebsspannung U-g proportionale Span-' nung ab. Der Kollektor des Transistors 51 ist direkt zur Massele'itung. 92 geführt, der Emitter, zusammengefaßt mit dem Emitter des Transistors 56, über einen Widerstand 52 zur Versorgungsleitung 91· Der Kollektor des Transistors 56 hat über einen Widerstand 57 Anschluß'an die den Eingang des Regelverstärkers 30 bildende Anode der Diode 31 und den erwähnten Abgriff am Spannungsteiler 27,28.
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Von diesem Anschlußpunkt zweigt weiterhin die Basis eines die Koristant-Stromquelle 60 bildenden npn-Transistor 61 ab, dessen Emitter über einen Widerstand 62 zur Masseleitung und dessen Kollektor direkt zur Basis des Transistors 56 geführt ist, und außerdem liegt zwischen jenem Anschlußpunkt und dem Eingang der Leistungs-Endstufe 20 ein Kondensator
Die Diagramme in £ig. 3 werden nachfolgend anhand der 3?unktionsbeschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß Pig. 1 und 3 erläutert.
Wird der Eingang E über einen Schalter auf das Nullpotential der Masseleitung 92 gelegt, so wird der Transistor 12 leitend und dadurch die den Eingang der Leistungs-Endstufe bildende Basis des Vortransistors 21 angesteuert. Die Endstufen-Kaskade, bestehend aus den Transistoren 21 und 22, schließt nun für die Ventilwicklung 70 einen Versorgungskreis zwischen der Versorgungsleitung 91. und der Hasseleitung 92. "
Während des Einschaltvorgangs bis zum Erreichen des Anzugswerts des durch die Ventilwicklung 70 fließenden Erreger-Stroms hat die Ansteuerschaltung den Charakter einer Konstant-Spannungsquelle - das wird deutlich an dem Kurvenabschnitt 101 der Spannung Ur70 über der Ventilwicklung 70 in Fig. 3 -j damit die Anzugszeit für das betreffende Magnetventil möglichst klein ist und für den erlaubten Betriebsspannungs-Bereich konstant bleibt.
Die Rückführung eines Spannungs-Regelkreises, ausgehend vom Emitter des Leistungsti ansistors 22, enthält eine Hochspannungsdiode 26, über die ein Spannungsteiler aus den Widerständen 27 und 28 gespeist wirdj das sich nun am Abgriff
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dieses Teilers einstellende Potential 102 wird im weiteren Verlauf der Rückführung über die leitend gewordene Diode 31 und die hier im Bereich ihrer Durchbruchsspannung arbeitende Z-Diode 32 auf die Basis des Regeltransistors 33 übertragen und steuert diesen durch. Mit seinem Kollektor beeinflußt der Regeltransistor 33 über die Hochspannungsdiode 34- den Eingang der Leistungs-Endstufe 20, wodurch der Spannungs-Regelkreis geschlossen ist.
Die Versetzung 103 im Verlauf des sonst linearen Anstiegs des Erregerstroms i«Q durch die Ventilwicklung 70 deutet auf das Anstoßen des Ankers des weiter nicht beschriebenen Hagnetventils an seine Begrenzung hin.
Nach Erreichen des Anzugswerts 104 des Erregerstroms i™ wirkt die Ansteuerschaltung wie eine Konstant-Stromquelle, damit die Kraftwirkung des magnetischen Kreises in der Spanne zwischen Ruhe- und Betriebstemperatur des Ventils gleich bleibt. Die Kraftwirkung eines Erregerkreises ist nämlich eine Funktion der Amperewindungszahl; bei Konstantstrom-Steuerung bleibt deshalb bei jedem Wert des Wicklungswiderstands, der sich mit der Wicklungstemperatur in-weiten Grenzen verändert, die Amperewindungszahl und damit die Kraftwirkung der Ventilwicklung auf das Magnetventil gleich.
In der Grenzwert-Schaltung 50 wird der zur Erfassung des durch die Ventilwicklung 70 fließenden Erregerstroms i™ erforderliche Spannungsvergleich vorgenommen. Hierin ist der Transistor 51 stets leitend; gemäß dem aus den Widerständen 53 und 54 sowie der Diode 55 gebildeten Teiler stellt sich über dem Widerstand 52 eine zu der Betriebsspannung Ug proportionale Spannung ein. Der Transistor 56 ist zunächst gesperrt. Der Zeitpunkt des Überschreitens seiner Schaltschwelle wird durch den Betrag des Spannungsabfalls an dem
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niederohmigen Längswiderstand 41 bestimmt; dieser gehört zu einem aus den weiteren beiden Widerständen 42 und 43 sowie der Diode 44 gebildeten Spannungsteiler 40, der über den zuvor erwähnten Spannungsteiler 27528 mit der Masse-.leitung 92 und an seinem Abgriff mit der Basis des Transistors -56 verbunden ist. Der Spannungsabfall am Längswiderstand 41 ist hauptsächlich abhängig von dem durch die Ventilwicklung· 70 fließenden Erregerstrom in«, er wird aber auch beeinflußt durch die von der Basis des !Transistors 56 abzweigen-P de Konstant-Stromquelle 60. Der Spannungsteiler 40 und die Konstant-Stromquelle 60 sind so dimensioniert, daß bei Erreichen des Ansugsitferts 104 des Erregerstroms i™ die Ansprechschwelle des Transistors 56 erreicht und dieser leitend wird. In diesem Augenblick .wird der bestehende Spannungs-Regelkreis unterbrochen und ein neuer Strom-Regelkreis geschlossen. Der Übergang von Spannungs- zu Stromregelung deutet sich im Verlauf der Eingangsspannung u™ des Regelverstärkers 30 in einer vorübergehenden Spannungserhöhung 105 an, von deren Beginn ab der Transistor 56 über den Widerstand 57 8ui den Eingang des Regelverstärkers 30 arbeitet lind diesem anfangs eine zu· hohe Ventilwicklungs-Spannung unf\ simuliert. Der Regeltransistor 33 öffnet dadurch weiter und veranlaßt eine Erhöhung1 des Innenwiderstands der Leistungs-Sndstufe 20. Mit der Spannung u™, unter dem Bezugszeichen
106, läßt, nun auch der Strom i™ nach, siehe· Bezugszeichen
107, und damit auch der Spannungsabfall am Längswiderstand 41, bis sich im Strom-Regelkreis ein neuer Gleichgewichtszustand 108,109,110 eingestellt hat.
Das Verhältnis des Anzugswerts 104 zu dem gerade noch zum Halten des Hagnetventils erforderlichen Haltestromwert 109 wird durch die Dimensionierung der Widerstände 41,42 und 43 "bsstiasit. 'Dagegen ist der Wert des Haltestroms 109 durch die
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Konstant-Stromquelle 60 festgelegt. - Diese hat außerdem den Zweck, Regelschwingungen im Strom-Regelkreis zu unterbinden. Gleichfalls der Dämpfung eventuell auftretender Schwingungen, sowohl im Strom- als auch, zu Beginn des Ventil-Öffhungsvorgangs, im Spannungs-Regelkreis, dient der Kondensator 63.
Der Meßgröße, nämlich der am Längswiderstand 41 abfallenden Spannung, ist als Störgröße die Betriebsspannung U-g überlagert. Sie beeinflußt gemäß der Dimensionierung des Spannungsteilers 40 die Meßgröße. Erfindungsgemäß dient die Grenzwert-Schaltung 50 auch zur Betriebsspannungs-Korrektur, indem sich, wie oben bereits erläutert, über dem Widerstand 52 eine zu der Betriebsspannung U-g proportionale Spannung einstellt. Die Kompensation wird dadurch möglich, daß der Teiler aus den Widerständen 53»54 und der Diode 55 ebenso dimensioniert ist, wie der Teiler aus den Widerständen 41, 42 und der Diode 44; bei Schwankungen der Betriebsspannung U-g werden deshalb die Emitter- und die Basisspannung am Transistor 56 in gleicher Weise verändert, so daß die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 56 sich nur noch mit dem Spannungsabfall am längswiderstand 41, der eigentlichen Meßgröße, ändert. Die an die Ventilwicklung 70 des Magnetventils abzugebende Leistung wird also im gesamten Betriebsspannungs-Bereich auf dem zum Halten des Ventils optimalen Wert festgehalten, während bei einer andernfalls erforderlichen Worst case-Dj.mensionierung die Leistung im erlaubten Bereich um einen beachtlichen Faktor schitfanken würde.
Beim Abschalten 111,112,113 der Ansteuerschaltung entlädt sich die in der Ventilwicklung 70 gespeicherte induktive Energie über die Leistungs-Endstufe 20, vorzugsweise den Iieistungstransistor 22 und den Längswiderstand 41. Die übrigen
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Teile .der Ansteuerschaltung sind durch die in diesem Augenblick gesperrten Hochspannungsdioden 26 und 34 geschützt. Die Dioden 31? 44 und 55 dienen der Kompensation von Temperatureinflüssen.
Beim Entwurf der Ansteuerschaltung wurde angestrebt, diese in der Serienfertigung nach Möglichkeit vollständig in integrierter Bauweise herstellen zu können. Deshalb 'wurde als obere Grenze für die Werte der vorgesehenen ohmschen Widervstände ein Betrag von 50 k^/X gewählt.
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Claims (6)

  1. Robert Bosch GmbH . R. 407 Jo/Dr
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    Ansprüche · ·
    j 1.) Ansteuerschal tung für Magnetventile hoher Schalt geschwindigkeit, die zur Begrenzung der an jeweils wenigstens ein ' Magnetventil abzugebenden elektrischen Leistung an die Ventilwicklung zum öffnen des Ventils einen Anzugsstrom liefert, der wesentlich größer als der zum anschließenden Offenhalten des Ventils erforderliche Haltestrom ist, mit einem der Ventilwicklung vorgeschalteten Transistor-Stellglied und mit einem das Transistor-Stellglied steuernden Eegelverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang. des Regelverstärkers (30) bis zum Erreichen des Anzugswerts des durch die Ventilwicklung (70) des Magnetventils fließenden Erregerstroms die Ausgangsspannung des Stellglieds zugeführt wird, wodurch der Erregerstrom auf den Anzugswert begrenzt wird.
  2. 2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Anzugswerts dem Eingang des Regelverstärkers (30) eine zu dem Erregerstrom proportionale Spannung zugeführt wird, wodurch der Erregerstrom auf den zum Offenhalten des Magnetventils gerade ausreichenden Haltestromwert begrenzt wird.
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  3. 3· Ans teuer schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Grenzwert-Schaltung (50) mit einem Transistor (56), der mit seinem Kollektor an den Eingang des Regelverstärkers (30) angeschlossen ist und "bei Erreichen eines an einem Längswiderstand (4-1) vom Erregerstrom hervorgerufenen Spannungsabfalls leitend wird und dabei über den Eegelve.rstärker den Erregerstrom auf den ψ gerade noch zum Halten des Magnetventils erforderlichen Haltestromwert reduzierte
  4. 4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Anzugswerts zum Haltestromwert abhängig-ist von einem Spannungsteiler (4-0), der aus dem Längswiderstand (41),* ztiei Teilerwiderständen (42,43) und einer Diode (44) besteht.
  5. ^ 5° Ansteuerschaltüng nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwert-Schaltung (50) durch eine Konstant-Stromquelle (60) beeinflußt ist, auf die der Haltestrom über den Spannungsteiler (40) und einen weiteren Spannungs teiler, bestehend aus zwei Widerständen (27,28), einwirkt.
  6. 6. Ansteuerschaltung" nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Haltestroms durch eine Konstant Stromquelle (60) festgelegt ist. ■ ^
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    BADORIGfNAL
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