DE29520794U1

DE29520794U1 - Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten

Info

Publication number: DE29520794U1
Application number: DE29520794U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2005-12-21

Description

Mannesmann Aktiengesellschaft

Mannesmannufer 2 28 947

40213 Düsseldorf

Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus dem Stand der Technik, DE 38 20 672 A1, sind Schaltungsanordnungen zu dem o. g. Zweck bekannt. Die Steuerschaltung der bekannten Art bezieht sich jedoch auf die Regelung zweier Elektromagneten in Abhängigkeit zueinander.

Weitere bekannte Prizipien arbeiten so, daß nur zwischen einem Stromwert &khgr; und 0 in relativ kurzer Zeit der Elektromagnet entregt wird, so daß der Magnet als Schalter arbeitet, oder daß die Entregung nur über eine Freilaufdiode und die ohm'sehen Verluste des Magneten erfolgt, was wesentlich länger dauert, i. d. R. ca. um einen Faktor 20.

Eine weitere Methode besteht darin, den Strom über einen Längstransistor zu regeln. Die Entregung kann dann durch eine Z-Diode oder einen Widerstand beschleunigt werden. Hierbei entsteht der Nachteil einer hohen Verlustleistung am Längsregler, der durch platzraubende Maßnahmen gestützt werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten, insbesondere von Proportionalmagneten in der Entregungsphase, von einem höheren Strom (i1) zu einem niedrigeren Strom (i2) in sehr kurzer Zeit regeln zu können.

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Die gestellte Aufgabe ist bei einer Steuerschaltung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Der Vorteil besteht darin, daß die hier angegebene erfindungsgemäße Schaltung einen schaltenden Stromregler und eine Schnellentregungsmaßnahme für den Einsatz bei stetigen Stellgliedern in einer Schaltung vereinigt. Diese Schaltung ist dabei vorteilhaft für Stetigventile einsetzbar.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben:

Die Schaltung arbeitet grundsätzlich als Spannungsstromwandler und dient zur Ansteuerung von Proportionalmagneten insbesondere in Ventilen. Hierbei entsteht folgende Funktion. Der Subtrahierer 1 rechnet die Differenz zwischen der Führungsgröße W, die in Form einer Spannung vorliegt, und des am Widerstand 9 gemessenen Momentanstromes, der durch den Proportionalmagneten 10 fließt. Die generierte Regelabweichung wird einem PI-Regler 2 zugeführt, der eine entsprechende Stellgröße liefert. In Abhängigkeit dieser Stellgröße werden mit dem Generator 3 und den Komparatorenpärchen, bestehend aus 4 und 5,und Treiberstufenpärchen, bestehend aus 6 und 7, Ansteuersignale für die Schalttransistoren erzeugt. Diese Ansteuersignaie sind pulsweitenmodulierte Signale, kurz PWM-Signale. Bei den Schalttransistoren werden MOS-Feldeffekttransistoren T8 und T11 verwendet.

Die verwendeten Feldeffekttransistoren haben in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Erfindung folgende Wirkung. Zum einen sind die Feldeffekttransistoren hochdynamische Transistoren, die extrem schnell schalten können. Darüber hinaus weisen die Feldeffekttransistoren, in der Darstellung T8 und T11, einen extrem kleinen Durchgangswiderstand auf. Dies hat zur Folge, daß im durchgeschalteten Zustand der Transistoren selbst bei Strömen zwischen 1 und 5 Ampere nur eine sehr kleine Verlustleistung entsteht. Diese Verlustleistung ist dabei so klein, daß Kühlmaßnahmen entbehrlich sind.

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Bei der Bestromung des Proportionalmagneten wird unterschieden zwischen der Erregungsphase, das bedeutet Strom steigt an, der Haltephase, das bedeutet Strom bleibt konstant und der Entregungsphase, das bedeutet Strom fällt ab. Die Transistoren nehmen dabei die folgenden Zustände ein.

Erregungsphase:

Beide Transistoren T8 und T11 sind durchgeschaltet. Der Strom steigt nach einer E-Funktion in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, der Induktivität und des ohm'sehen Widerstandes des Proportionalmagneten an.

Haltephase:

Der Transistor T8 ist durchgeschaltet. Der Transistor T11 arbeitet im Schaltbetrieb. Entsprechend dem Puls-/Pausenverhältnis ergibt sich im Proportionalmagneten ein ' mittlerer Strom, der über dem Meßwiderstand 9 gemessen wird und vom Regler 2 konstant gehalten wird. Während des Pulses fließt der Strom vom Netzanschluß über T8, den Meßwiderstand, den Proportionalmagneten und Transistor T11 gegen 0 Volt. Während der Pause, in welcher der Transistor T11 geschlossen ist, fließt der eingeprägte Strom über die Freilaufdiode D2, über den Transistor T8, den Meßwiderstand 9 und den Proportionalmagneten 10.

Entregungsphase:

Diese Phase ist die eigentliche von der Erfindung geprägte Besonderheit. Entregungsphase bedeutet hierbei, daß von einem hohen Stromniveau auf ein niedriges Stromniveau geregelt werden soll. Befindet sich die gesamte Anordnung auf einem hohen Stromniveau und soll auf ein niedrigeres Niveau herunter geregelt werden; so werden die Transistoren T8 und T11 gesperrt. Der eingeprägte durch Induktion entstehende Strom fließt nun über die Freilaufdiode D2, den Kondensator 13, die Freilaufdiode D1, den Meßwiderstand 9 und den Proportionalmagneten 10. Der Kondensator, der an der Versorgungsspannung liegt, speichert die abgegebene Ladung, so daß der eingeprägte Strom schnell reduziert wird, was zu einer Schnellentregung des Proportionalmagneten führt. Während dieser Zeit, d. h. während dieser Phase, wird der Strom gemessen und vom Regler ausgewertet. Nähert sich anhand des gemessenen Stromes der

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Wert des am Widerstand 9 gemessenen Stromes nunmehr dem angedachten Regelziel des niedrigeren Stromwertes, so wird während dieser Entregungsphase kurz vor Erreichen des Regelzieles der Transistor T8 wiederum beaufschlagt, der im PWM-Betrieb nunmehr gedämpft gegen den Wert des niedrigeren Stromniveaus fährt. Auf diese Weise wird wirkungsvoll verhindert, daß trotz des sehr rasch abklingenden Stromwertes der Stromwert nicht über das Regelziel &ldquor;überschwingf, was bedeutet, daß das Stromniveau kurzzeitig nach unten unterhalb des Regelzieles wegrutscht, . bevor es wieder gegen den gedachten Wert konvergiert, wird somit ein Schwingverhalten um das Regelziei herum unterdrückt. Das bedeutet, daß trotz zeitlich sehr rasch abfallender Stromflanke der Strom überschwingungsfrei auf das zweite, niedrigere Stromniveau konvergiert.

Aus der oben beschriebenen Funktionsweise der Entregungsphase wird deutlich, in welcher Weise die Halbbrücke, bestehend aus zwei Freilaufdioden und einem Kondensator, geschaltet wird durch die Transistoren T8 bzw. T11. Somit kann man sagen, daß die Transistoren T8 und T11 quasi in die Halbbrücke mit einbezogen sind. Schaltungstechnisch ist das anhand der Abbildung ebenfalls zu sehen. So ist zu sehen, daß an der Versorgungsspannung in Serie der Transistor T8, der Meßwiderstand 9, der zu regelnde Proportionalmagnet 10 und der Transistor T11 in Serie liegen. Desweiteren ist eine Freilaufdiode mit der entsprechenden in der Zeichnung dargestellten Orientierung bzw. Polarität parallel zum Widerstand 9, zum Proportionalmagneten 10 und zum Transistor T11 angeordnet, und die andere Freilaufdiode mit der entsprechend dargestellten Orientierung bzw. Polarität ist parallel zum Proportionalmagneten 10, zum Widerstand 9 und zum Transistor T8 angeordnet. Über allem, d. h. direkt an der Versorgungsspannung, liegt der Kondensator 13. Ais Rückspeiseschutz ist noch eine Diode 14 vorgesehen. Auf der anderen Seite ist parallel zum Widerstand 9 ein Abgriff, der auf den Subtrahierer 1 geführt ist. Der Subtrahierer 1 ist ausgangsseitig mit dem Eingang eines Pl-Reglers 2 verbunden. Der PI-Regler wiederum weist einen Ausgang auf, der gleichzeitig zum einen an den Negativpol des Komparators 4 und zum anderen an den Positivpol des Komparators 5 angeschlossen ist. Der Positivpol des Komparators 4 sowie der Negativpol des Komparators 5 sind an jeweils einen separaten Ausgang . eines Generators 3 angeschlossen. Dieser Generator liefert am Ausgang zwei im wesentlichen amplitudengieiche Signale. Die Signale können hinsichtlich ihrer Phasenlage unabhängig voneinander sein, müssen es aber nicht. Zweckmäßig ist es in diesem Ausführungsbeispiel, eine feste Phasenbeziehung vorzusehen. Der Komparator 4 ist

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über die Treiberstufe 6 direkt auf das Gate des Feldeffekttransistors T8 geschaltet. Der Komparator 5 ist über die Treiberstufe 7 direkt mit dem Gate des Feldeffekttransistors T11 verbunden. Die Transistoren T8 und T11 unterscheiden sich in der in der Zeichnung dargestellten umgekehrten bzw. gegensätzlichen Polarität.

Claims

28947 - 7 - Schutzansprüche

1. Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten, mit

zwei in Serie zum Elektromagneten geschalteten Transistoren, s dadurch gekennzeichnet,

daß parallel zum Elektromagneten (10) als Freilaufkreis eine schaltbare Halbbrücke bestehend aus den Freilaufdioden (D1, D2) sowie einem im Magnetstromkreis befindlichen in Serie geschalteten ohm'sehen Widerstand (9) sowie mit einem Kondensator (13), die schaltungsmäßig so angelegt sind, daß die .

beiden in Serie liegenden Transistoren (T8, T11) zwischen den Polen (+, -) der Speisespannung angeordnet sind und eine der Freilaufdioden parallel zum Elektromagneten (10) und ohm'sehen Widerstand (9) und zu einem der Transistoren (T8) liegt und die andere Diode parallel zum Elektromagneten (10) und Widerstand (9) und zum entsprechend anderen Transistor (T11) liegt, daß parallel zur Speisespannung (U_v) der Kondensator (13) angeordnet ist und an einem der Pole der Speisespannung eine Rückspeiseschutzdiode (14) angeordnet ist und daß die am Widerstand abfallende Spannung bzw. der dort fließende Strom einem Regelkreis (1, 2) rückführbar ist, über welchen die beiden Transistoren (T8, T11) unabhängig voneinander schaltbar sind.

2. Steuerschaltung zur Regelung des Spuienstromes von Elektromagneten nacb Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Transistoren (T8, T11) Feldeffekt-Transistoren sind.

3. Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Parallelabgriff zum Wideretand (9) elektrisch mit einem Subtrahierer (1) verbunden ist, der ausgangsseitig wiederum mit einem PI-Regler (2) elektrisch verbunden ist, welcher ausgangsseitig mit den Komparatoren (4, 5) verbunden ist, die mit nachgeschalteten Treiberstufen (6, 7) die Transistoren (T8, T11) ansteuern.

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4. Steuerschaltung zur Regelung des Spuienstromes von Elektromagneten nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der jeweils andere Eingang der Komparatoren (4, 5) signalschlüssig mit einem Kanal jeweils eines Dreieckgenerators (3) verbunden sind.

5. Steuerschaltung zur Regelung des Spulenstromes von Elektromagneten nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Ausgangskanäle des Generators (3) zwei voneinander unabhängige Signale erzeugt.