DE3508187A1 - VALVE CONTROL - Google Patents
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Abstract
Description
iMivs J(IRGI-N WHISSII · mn -cm μ DR. RUuOLF WOLGASTiMivs J (IRGI-N WHISSII mn -cm μ DR. RUuOLF WOLGAST
!'Ml ΜΛΝ\\Λ1Ί1 I 11KOl1I ΛΝ 1'ΛΤΙ NI ATlORM VS! 'Ml ΜΛΝ \\ Λ1Ί1 I 1 1 KOl 1 I ΛΝ 1'ΛΤΙ NI ATlORM VS
IU)Kl N1IU1SfH -11 I)MOOYIlIiIRI 11-1 ANCiINlU RCi 1'ostl.n.Ti 1Η0Κ< > IeIeIiMi (0."!0 5?) 401» 'lclcxIU) Kl N 1 IU 1 SfH -11 I) MOOYIlIiIRI 11-1 ANCiINlU RCi 1'ostl.n.Ti 1Η0Κ <> IeIeIiMi (0. "! 0 5?) 401» 'lclcx
Pate ntanmeldung Patent registration
Oelsch Kommanditgesel 1 schaft ,__Jahnstraße 68-7?,Oelsch limited partnership, __ Jahnstraße 68-7 ?,
VentilsteuerschaltungValve control circuit
,p Die Erfindung betrifft eine Ventilsteuerschaltung zur Regelung des elektrischen Stromes durch die Erregerwicklung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils nach Maßgabe einer als Führungsgrüße dienenden Signals ρannung., p The invention relates to a valve control circuit to regulate the electric current through the excitation winding an electromagnetically actuated valve in accordance with one that is used as a guide Signal voltage.
Durch eine solche Ventilsteuerschaltung wird überSuch a valve control circuit is about
den Strom in der Erregerwicklung ein Ventil z.B. in einem Hydraulikkreis mehr oder weniger weit geöffnet in Abhängigkeit von der Signalspannung. Zur „,. Betätigung des. Ventils müssen dabei relativ hohe Strome gesteuert werden. Bei einer einfachen Proportionalsteuerung erfordert das große und aufwendige elektronische Bauelemente. Auch tritt eine große Verlustleistung auf.the current in the excitation winding a valve e.g. in a hydraulic circuit more or less open depending on the signal voltage. To the ",. Actuation of the valve must be relatively high Currents are controlled. With a simple proportional control requires large and complex electronic components. Also occurs large power dissipation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilsteuerschaltung vorzusehen, bei welcher mit relativ kleine Bauelementen unter Vermeidung einer unerwünscht hohen Verlustleistung der mittlereThe invention is based on the object of a Provide valve control circuit in which with relatively small components while avoiding a undesirably high power dissipation of the average
,. r Strom durch eine ein Ventil steuernde Erreqerwick. -,. r Current through an exciter winding controlling a valve. -
üb over aa
lung proportional einer als Führungsgröße dienenden Signalspannung gemacht wird.is proportional to one that serves as a reference variable Signal voltage is made.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch:According to the invention, this object is achieved by:
(a) einen integrierenden elektrischen Regler auf den die Signalspannung und eine Rückführ-(a) an integrating electrical controller the signal voltage and a feedback
b spannung aufgeschaltet sind,b voltage are switched on,
(b) einen von der Ausgangsspannung des Reglers gesteuerten Pulsbreitenmodulator,(b) a pulse width modulator controlled by the output voltage of the regulator,
(c) einen Schalttransistor, der(c) a switching transistor that
(c. ) in Reihe mit der Erregerwicklung an einer Speisespannung liegt und(c.) in series with the excitation winding a supply voltage and
(c„ ) von dem Pulsbreitenmodulator auf- und(c ") from the pulse width modulator up and
zusteuerbar ist undis controllable and
(d) eine zu der Erregerwicklung parallelgeschaltete Diode, über welche bei gesperrtem Schalttransistor ein durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes in der Erregerwicklung induzierter Strom fließt und(d) one connected in parallel to the field winding Diode through which, when the switching transistor is blocked, the collapse of the Magnetic field induced in the excitation winding Electricity flows and
(e) Rückführmittel zur Erzeugung der Rückführspannung proportional zu dem modulierten Strom(e) feedback means for generating the feedback voltage proportional to the modulated current
durch die Erregerwicklung.through the excitation winding.
Es wird also der Strom durch die Erregerwicklung durch einen Pulsbreitenmodulator über einen Schalttransistor gesteuert. Eine solche Pulsbreitensteuerung hat den Vorteil, daß an dem Schalttransistor entweder (im Sperrzustand) der Strom oder (im leitenden Zustand) die Spannung null ist. Bei leitendem Schalttransistor fließt ein Strom über die erregerwicklung und den Schalttransistor im Strom-So it is the current through the excitation winding by a pulse width modulator via a switching transistor controlled. Such a pulse width control has the advantage that on the switching transistor either (in the blocked state) the current or (in the conductive State) the voltage is zero. When the switching transistor is conductive, a current flows through the excitation winding and the switching transistor in the current
6 3508137 6 3508137
kreis der Speisespannung. Dieser Strom baut sich infolge der Induktivität der Erregerwicklung langsam auf, steigt also an. Bei gesperrtem Schalttransistor fließt der Strom weiter in dem über die Diode geschlossenen Stromkreis. Dieser Strom setzt die im Magnetfeld der Erregerwicklung gespeicherte Energie um in Joulesche Wärme und nimmt mit der Zeit ab. Anstieg und Abfall sind bei geeigneter Bemessung der Schaltungselemente näherungsweise linear, wobei der Strom um einen von der Pulsbreitenmodulation abhängigen Gleichstrommittelwert schwankt. Die Rückführmittel sind so ausgebildet, daß sie eine dem modulierten Strom durch die Erregerwicklung wenigstens annähernd entsprechende Rückführspannung liefern. Diese wird durch den integrierenden Regler mit der Signalspannung verglichen. Wenn der Gleichstrommittelwert der Rückführspannung der SignalSpannung entspricht, bleibt das Ausgangssignal des integrierenden Reglers und damit auch die Pulsbreitenmodulation unverändert.circuit of the supply voltage. This stream builds up slowly due to the inductance of the field winding up, so it rises. When the switching transistor is blocked, the current continues to flow in the via the Closed circuit diode. This current sets the stored in the magnetic field of the excitation winding Energy turns into Joule heat and decreases over time. Rise and fall are at appropriate Dimensioning of the circuit elements approximately linear, the current by one of the pulse width modulation dependent DC mean value fluctuates. The feedback means are designed in such a way that they correspond to the modulated current through the field winding provide at least approximately the corresponding feedback voltage. This is supported by the integrating controller compared with the signal voltage. When the DC mean value of the feedback voltage corresponds to the signal voltage remains the output signal of the integrating controller and thus the pulse width modulation remains unchanged.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Refinements of the invention are the subject of Subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:An embodiment of the invention is as follows explained in more detail with reference to the accompanying drawings:
Fig. 1 zeigt eine Venti1 steuerschaltung zur OQ Regelung des elektrischen Stromes durchFig. 1 shows a Venti1 control circuit for OQ regulation of the electric current through
die Erregerwicklung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils.the excitation winding of an electromagnetic actuatable valve.
Fig. 2 zeigt Signalverlaufe, die in der Venti 1 steuerschaltung von Fig.l auftreten.Fig. 2 shows waveforms in the Venti 1 control circuit of Fig.l occur.
Die Ventilsteuerschaltung enthält einen integrierenden elektrischen Regler 10. Dieser besteht praktisch aus einem Operationsverstärker 12, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang über einen Kondensator 14 verbunden ist. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 ist über einen Widerstand 16 eine Signalspannung U „ von einem (nicht dargestellten) Geber angelegt. Diese Signalspannung Up dient als Führungsgröße. Weiterhin liegt an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 mit entgegengesetztem Vorzeichen noch eine Rückführspannung. Die Rückführspannung wird in noch zu beschreibender Weise von Rückführmitteln 18 geli efert.The valve control circuit contains an integrating electrical controller 10. This consists practically of an operational amplifier 12, whose Output to the inverting input via a Capacitor 14 is connected. At the inverting input of the operational amplifier 12 is via a Resistor 16 a signal voltage U "from a (not shown) encoder applied. This signal voltage Up serves as a reference variable. It is also connected to the inverting input of the operational amplifier 12 with the opposite sign still has a feedback voltage. The feedback voltage is efert of return means 18 in a manner still to be described.
Der Ausgang des Reglers 10 steuert einen Pulsbreitenmodulator 20. Der Pulsbreitenmodulator 20 steuert seinerseits über einen Transistor 22 und eine Hi Ifsspeisespannung U, einen Schalttransistor 24.The output of the controller 10 controls a pulse width modulator 20. The pulse width modulator 20 controls, in turn, a switching transistor via a transistor 22 and a Hi Ifsspeising voltage U 24
Im Stromkreis einer Speisespannung U liegen inIn the circuit of a supply voltage U are in
Reihe ein erster ohmscher Widerstand 26, der Schalttransistor 24 und eine Erregerwicklung 28.Series a first ohmic resistor 26, the switching transistor 24 and an excitation winding 28.
Durch einen Strom durch die Erregerwicklung ist ein (nicht dargestelltes) Ventil proportional verstellbar. Der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung 28 ist durch einen Widerstand 30 dargestellt. Parallel zu der Erregerwicklung 28 ist eine Diode 32 geschaltet. Die Durchlaßrichtung der Diode 32 ist dabei so, daß durch die Diode 32 der Strom fließen kann, welcher nach Sperren des Schalttransistors 24 durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes in der Erregerwicklung 28 induziert wird. Bei leitendem Schalttransistor 24 fließt durch die Erregerwick-A current through the field winding is a (not shown) valve proportionally adjustable. The ohmic resistance of the field winding 28 is represented by a resistor 30. A diode 32 is connected in parallel with the excitation winding 28. The forward direction of the diode 32 is such that the current flows through the diode 32 can, which after blocking the switching transistor 24 is induced by the collapse of the magnetic field in the excitation winding 28. At senior Switching transistor 24 flows through the exciter winding
8 35081378 3508137
lung 28 ein Strom I . in Richtung des entsprechend bezeichneten Pfeils, d.h. von oben nach unten in Fig.l. Die parallele Diode 32 ist für diese Stromrichtung gesperrt. Wenn der Schalttransistor 24 sperrt, wird der Stromkreis der Speisespannung Utreatment 28 a current I. in the direction of accordingly indicated arrow, i.e. from top to bottom in Fig.l. The parallel diode 32 is for this direction of current locked. When the switching transistor 24 blocks, the circuit of the supply voltage U
unterbrochen. Das zusammenbrechende Magnetfeld der Erregerspule 28 induziert weiterhin einen Strom in Richtung des Pfeiles I , der nun in dem von der Erregerwicklung 28, dem Widerstand 30 und der Diode 32 gebildeten, geschlossenen Stromkreis fließt. Dieser Strom nimmt bei geeigneter Bemessung der Bauteile näherungsweise linear ab.interrupted. The collapsing magnetic field of the excitation coil 28 continues to induce a current in Direction of arrow I, which is now in that of the excitation winding 28, the resistor 30 and the diode 32 formed, closed circuit flows. With a suitable dimensioning, this current increases Components from approximately linear.
Quantitativ ergibt sich folgendes:
15In terms of quantity, the following results:
15th
Nach dem Induktionsgesetz istAccording to the law of induction is
u ■L ■& m· u ■ L ■ & m ·
Während der Einschaltzeit t . (vgl. Fig.2,Zeile 1), während welcher der Schalttransistor 24 leitend ist, gilt näherungsweiseDuring the switch-on time t. (see Fig. 2, line 1), during which the switching transistor 24 is conductive is, applies approximately
Ua = L -^ RL 1LO
ein U a = L - ^ R L 1 LO
a
wobeiwhereby
L die Induktivität der Erregerspule 28,
ΔΙ die Gesamt änderung des Stromes in derL is the inductance of the excitation coil 28,
ΔΙ is the total change in the current in the
Erregerspule 28 während der Einschaltzeit tExcitation coil 28 during the switch-on time t
(vgl. Fig.2, Zeile 2),
I der mittlere Strom in der Erregerspule 28(see Fig. 2, line 2),
I is the mean current in the excitation coil 28
während der Einschaltzeit t . undduring the switch-on time t. and
eina
R der ohmsche Widerstand (30) derR is the ohmic resistance (30) of the
Erregerspule 28 ist.Excitation coil 28 is.
Dabei ist angenommen, daßIt is assumed that
URl--iUa (3 U Rl - i U a (3
undand
\ -ΐ 1LO (4) \ -ΐ 1 LO (4)
ist, wobei
10is, where
10
U1 der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 κ ιU 1 is the voltage drop across resistor 26 κ ι
ist.is.
Während der Ausschaltzeit t , d.h. der Zeit (vgl.During the switch-off time t, i.e. the time (cf.
austhe end
Fig.2), während welcher der Schalttransistor 24 gesperrt ist, ist näherungsweise2), during which the switching transistor 24 is blocked is is approximate
LA1L + R. In -0, (5)LA 1 L + R. I n -0, (5)
t L L
aust LL
the end
wenn R I1n als groß gegen den Spannungsabfall an der Diode 32 angenommen wird, d.h.if RI 1n is assumed to be large compared to the voltage drop across diode 32, ie
P1 . IL0^0,7 V . (6). Aus den Gleichungen (2) und (5) folgtP 1 . I L0 ^ 0.7V. (6). From equations (2) and (5) it follows
U i (1 + t^) R. Ln (7). a ein L LU U i (1 + t ^) R. L n (7). a a L LU
Setzt man
30If you set
30th
Snn + taus -1 (8) Sn n + toff - 1 (8)
( vgl . Fi g.2), so wi rd(see Fig. 2), so we approx
ο. τ - ül 1^i"
LO RL ' T " ο. τ - ül 1 ^ i "
LO R L 'T "
ίοίο
Dabei istIt is
= K (9)= K (9)
der Impulsbreitenmodulationsfaktor. Es wird alsothe pulse width modulation factor. So it will
1LO ■ K · Üf (10)· 1 LO ■ K · Üf (10) ·
Der mittlere Strom durch die Erregerspule 28 ist proportional dem Impulsbreitenmodulationsfaktor K.The mean current through the excitation coil 28 is proportional to the pulse width modulation factor K.
Um diesen Strom auf einen der Signal spannung U
proportionalen Wert zu regeln, muß der Strom gemessen
und über geeignete Rückführmittel 18 auf den Regler 10 zurückgeführt werden. Eine Messung des
Stromes über den Spannungsabfall an der Erregerwicklung
selbst hat den Nachteil, daß dann zwei zusätzliche Leitungen zu der Erregerwicklung geführt
werden müssen, was bei handelsüblichen Bauteilen schwierig ist. Der Spannungsabfall an dem
Widerstand 26 kann nicht unmittelbar als Maß für den Strom durch die Erregerwicklung dienen, weil
ein Strom durch den Widerstand 26 nur während der Einschaltzeit fließt.To this current on one of the signal voltage U
To regulate proportional value, the current must be measured and fed back to the controller 10 via suitable feedback means 18. A measurement of the current via the voltage drop across the field winding itself has the disadvantage that two additional lines then have to be led to the field winding, which is difficult with commercially available components. The voltage drop across the resistor 26 cannot directly serve as a measure of the current through the field winding, because a current flows through the resistor 26 only during the switch-on time.
Es wird daher der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 über Leitungen 34 und 36 auf einen Spitzengleichrichter 38 geschaltet. Dieser lädt einen Kondensator 40 auf. Die Zeitkonstante dieser Kombination von Spitzengleichrichter 38 und Kondensator 40 ist klein gegen die Einschaltzeit t . . Die Spannung U am Kondensator 40 folgt daher während der Einschaltzeit t . praktisch verzögerungslos dem Spannungsabfall U am Widerstand 26. Das ist inIt therefore becomes the voltage drop across the resistor 26 via lines 34 and 36 to a peak rectifier 38 switched. This charges a capacitor 40. The time constant of this combination of peak rectifier 38 and capacitor 40 is small compared to the switch-on time t. . The voltage U at the capacitor 40 therefore follows during the switch-on time t. practically instantly dem Voltage drop U across resistor 26. That's in
R IR I
der dritten und vierten Zeile von Fig.2 dargestellt. the third and fourth lines of Fig.2.
Während der Ausschaltzeit t fällt der Spannungsaus The voltage fails during the switch-off time t
abfall U D, an dem Widerstand 26 weg. Der Konden-drop U D , at the resistor 26 away. The condensate
K IK I
sator 42 entlädt sich dann über den Widerstand 42. Es ist zu beachten, daß durch die Gegenkopplung die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 12 stets praktisch auf gleichem Potential gehalten werden. Durch geeignete Bemessung der Bauelemente ist dafür gesorgt, daß die Spannung U, am Kondensator 40 während der Ausschaltzeit t im gleichen Maße a b fällt wie der Strom I. durch die Erregerwicklung 28. Es wird so eine Rückführspannung hergestellt, die in ihrem Verlauf dem Verlauf des Stromes durch die Erregerwicklung folgt.Sator 42 then discharges through the resistor 42. It should be noted that the negative feedback both inputs of the operational amplifier 12 are always kept practically at the same potential. Suitable dimensioning of the components ensures that the voltage U, across the capacitor 40 during the switch-off time t a b falls to the same extent as the current I. through the field winding 28. A feedback voltage is produced in this way, which in its course corresponds to the course of the current through the excitation winding follows.
Quantitativ ergibt sich dabei folgendes: Während der Ausschaltzeit istIn terms of quantity, this results in the following: During the switch-off time is
Aq = C Δ U (U)Aq = C Δ U (U)
wobeiwhereby
Δς die Ladungsänderung im Kondensator 40Δς is the change in charge in capacitor 40
während der Ausschaltzeit, 25during the switch-off time, 25th
C die Kapazität des Kondensators 40 undC is the capacitance of the capacitor 40 and
Δ U , die Änderung .der an dem Kondensator 40 abfallenden Spannung während der Ausschaltzeit t ist (vgl. Fig.2, ZeileΔ U, the change .der on the capacitor 40 falling voltage during the switch-off time t (see Fig. 2, line
ä U Sä U S
4).
Die Ladungsänderung /■ q ist Entladestrom i mal4).
The change in charge / ■ q is the discharge current i times
Ausschaltzeit t . Es gibt alsoSwitch-off time t. So there is
aus b from b
i . t -CAU, (12). aus di. t -CAU, (12). from d
Es ist wieder U . klein gegen die mittlere Kondensatorspannung U, . Es wird dann der Entladestrom It's U again. small compared to the mean capacitor voltage U,. It then becomes the discharge current
Daraus folgtIt follows
U -- R . C . ^-ü (14).
!OU - R. C. ^ -ü (14).
!O
Schreibt man Gleichung (5) in der FormIf we write equation (5) in the form
I =i 4_k (15)I = i 4_k (15)
L0 RL Sus L0 R L Sus
so sieht man, daß man den Verlauf von lh an den Verlauf von I anpassen kann: Wählt man nämlichso you can see that you can adapt the course of lh to the course of I: namely, one chooses
RC = i (16),RC = i (16),
RL R L
dann wirdThen it will be
(17),(17),
do 1LOdo 1 LO
d.h. die Spannung U , am Kondensator 40 ändert sich im Verhältnis zu ihrem mittleren Wert während der Ausschaltzeit t in gleichem Maße, wie sich der Strom I durch die Erregerwicklung 28 im Verhältnis zu seinem mittleren Wert verändert. Man erhält daher einen Signalverlauf der Spannung U , am Kondensator 40, der auch während der Ausschaltzeit dem Signalverlauf des Stromes durch die Erregerwicklung entspricht. Diese Spannung ist als Rückführspannung auf den Regler 10 aufgeschaltet.i.e. the voltage U, across the capacitor 40 changes in relation to its mean value during the Switch-off time t to the same extent as the Current I through the field winding 28 in the ratio changed to its mean value. A signal curve for the voltage U i on the capacitor is therefore obtained 40, which is also demolished during the switch-off time Signal curve of the current through the field winding is equivalent to. This voltage is applied to the controller 10 as a feedback voltage.
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Claims (3)
25(c) a switching transistor (24) of the
25th
1i egt und(c,) in series with the excitation winding (28) at ε
1i egt and
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