DE3613648C2 - Verfahren zum Betrieb eines Schaltmagneten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schaltmagneten, der einen Anker, ein Ankergegenstück und eine Erregerwicklung umfaßt.

Es sind Gleichstrom-Elektromagnete bekannt, die vorzugs­ weise zum Antrieb von Ventilen dienen. Dabei arbeitet der Anker des Magneten beispielsweise gegen eine Feder an, und die Kraft-Hub-Kennlinie des Magneten ist derart gestaltet, daß einem bestimmten Erregerstrom ein bestimm­ ter Weg des Ankers und damit des Ventiles entspricht, so daß über den Erregerstrom das Ventil verstellt werden kann. Dabei ist es wichtig, daß nicht nur zwei Ventilstel­ lungen möglich sind, die den beiden Endstellungen des Ankers entsprechen. Vielmehr sollen alle Zwischenstel­ lungen ansteuerbar sein. Ein Gleichstrom-Elektromagnet, der zum Beispiel mit einem Stumpfanker ausgerüstet ist, besitzt aber im allgemeinen eine Kraft-Hub-Kennlinie in hyperbolischer Form, d. h. zu Beginn des Hubes werden nur sehr kleine Kräfte entwickelt, die gegen Ende des Hubes stark anwachsen. Ein Magnet mit einer derartigen Kraft-Hub-Kennlinie wäre nicht geeignet zur Steuerung eines Ventils in verschiedene Zwischenstellungen.

Es ist daher schon vorgeschlagen worden, (vgl. bei­ spielsweise DE-PS 976 704) die steil ansteigende Kraft- Hub-Kennlinie durch besondere Ausbildung des Ankers und/oder des Ankergegenstückes so zu verändern, daß im Arbeitsbereich die Kennlinie vergleichsweise waagrecht oder auch fallend gestaltet ist. Dies läßt sich beispiels­ weise erreichen, durch eine Ausgestaltung des Ankergegen­ stückes in Form eines Außenkonus. Die magnetischen Feld­ linien erhalten dann nach einem Teil des Weges des Ankers teilweise einen Verlauf rechtwinklig zur Anker­ bewegung mit dem Ergebnis, daß die Hubkraft nicht mehr weiter ansteigt, sondern gegebenenfalls sogar geringer wird.

Beim Zusammenwirken eines derartigen Elektro-Magneten, der als Proportional-Magnet bezeichnet wird, mit einer Federkennlinie üblicher Art, läßt sich erreichen, daß einem, bestimmten Erregerstrom eine bestimmte Anker­ stellung zugeordnet wird.

Die Veränderung der Kennlinie durch eine entsprechende Ausbildung des Ankers oder des Ankergegenstückes ist aber unbefriedigend. Sie beruht nämlich im wesentlichen darauf, daß die Hubkraft des Magneten im Arbeitsbereich verringert wird.

Es ist ferner eine als Torque-Motor bezeichnete Magnet-An­ ordnung bekannt, mit der es möglich ist, durch eine Veränderung des Erregerstroms genau definierte Anker­ bewegungen herbeizuführen. Dabei läßt sich beim Torque- Motor erreichen, daß durch Umpolung des Erregerstroms auch eine umgekehrt gerichtete Ankerbewegung eintritt. Der Torque-Motor verwendet dabei Permanent-Magnete, deren Feldlinien sich jeweils den vom Elektro-Magneten erzeugten Feldlinien überlagern, und somit diese entweder verstärken oder aufheben. Ein derartiger Torque- Motor besitzt zwar eine gute Proportionalität zwischen dem Erregerstrom einerseits und der Ankerbewegung anderer­ seits. Die Kräfte und der maximale Hub sind jedoch sehr gering, so daß sie nur bei geeigneten Servo-Anordnungen ausnützbar sind.

Entsprechendes gilt auch für Elektro-Magnete nach dem Liniearmotor-Prinzip. Auch hier sind Permanent-Magnete vorgesehen, die die ausnützbaren Kräfte herabmindern.

In der DE 20 19 345 C3 ist eine Anordnung zum Beeinflussen des Erregerstroms eines Gleichstrom-Elektromagneten beschrieben, bei dem die magnetische Feldstärke im Axialluftspalt am Anker­ gegenstück gemessen wird und der gemessene Wert benützt wird, um über eine Regelschaltung den Erregerstrom so zu steuern, daß das magnetische Feld und damit die auf den Anker ausgeübte Kraft eine vorbestimmte gleichförmige Größe erhalten. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß das Sensorelement, das die Feldstärke mißt, temperaturempfindlich ist. Auch muß mit einer Inhomogenität des magnetischen Feldes gerechnet werden. Schwierig ist es auch, diese Anordnung bei einem druckdichten Ankerraum zu verwenden, da die Feldstärke am Ankergegenstück im Ankerraum zu messen ist, und die zugehörigen Leitungen aus diesem Ankerraum heraus­ geführt werden müssen. Auch kann bei diesem Elektromagneten nur eine im wesentlichen waagerechte Kraft-Hub-Kennlinie erreicht werden.

In der Veröffentlichung von Heiser J. Proportionalventile mit lagegeregeltem Magnetstellglied in: o+p-ölhydraulik und pneumatik 1978, Bd. 22, Nr. 2, S. 79 bis 84 ist ein Ventilmag­ net beschrieben. In diesem Aufsatz heißt es, daß der Pol der Magneten so auszubilden ist, daß der Hubkraftverlauf im Ar­ beitsbereich nahezu wegunabhängig ist. Bei konstantem Hub ist die Magnetkraft zum Eingangstrom proportional. Dies bedeutet, daß im Arbeitsbereich die Kennlinie horizontal verläuft, was durch eine entsprechende Ausbildung des Ankers und des Ankerge­ genstücks erreicht wird. Dabei wird auf der Stirnseite des Mag­ neten ein induktiver Wegaufnehmer befestigt. Dieser signali­ siert jedoch nicht die Stellung des Magnetankers, sondern viel­ mehr die des vom Magneten betätigten Hydroventils. Das Signal des Wegaufnehmers ist somit ein Maß für den Hydraulikwert und dient nicht der Steuerung der Magnetkennlinie. Die Magnetkenn­ linie ist durch die Geometrie des Magnetpols gegeben. In der US 38 70 931 ist ein Doppelmagnet mit einem Außenkonus be­ schrieben. Dieser Außenkonus beeinflußt die Kennlinie in ge­ wünschter Weise. Eine dort angegebene Schaltungsanordnung hat daher nicht mehr die Möglichkeit die Kennlinie zu beein­ flußen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Be­ trieb eines Schaltmagneten vorzuschlagen, bei dem eine wesent­ lich bessere Ausnützung der Hubarbeit erreicht wird und die optimal dem vom Magneten angetriebenen Gerät, z. B. einem Ven­ til, angepaßt ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Während es bisher nur bekannt war, die Kennlinie durch eine entsprechende Ausgestaltung des Ankers und des Ankergegen­ stückes zu beeinflussen, bzw. durch eine elektronische Ansteuer­ schaltung im wesentlichen waagrecht, d. h. wegunabhängig zu halten, geht die Erfindung bei der Beeinflussung und Ausge­ staltung der Kraft-Hub-Kennlinie einen ganz anderen Weg. Die Beeinflussung der Kennlinie durch entsprechende Ausgestaltung des Ankers und/oder des Angergegenstückes hat nämlich zur Folge, daß der z. B. waagrechte Teil der Kraft-Hub-Kennlinie immer an der gleichen Wegstelle des Ankerhubs beginnt und zwar unabhängig von dem Strom, der der Spule zugeleitet wird. Dies bedeutet, daß z. B. bei Belastung des Magneten mit einer Feder die Hubkraft des Magneten nur dann einigermaßen ausge­ nützt wird, wenn die Spule nur geringfügig beaufschlagt wird. Bei maximaler Beaufschlagung der Spule wird jedoch nur ein sehr mäßiger Teil der Hubarbeit ausgenützt.

Beim erfindungsgemäßen Vorschlag wird dagegen der Strom des Magneten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ankerstellung, die vom Wegaufnehmer ermittelt wird, gesteuert. Das Wegsignal wird in die Elektronik-Bauteile umfassende Anordnung einge­ leitet. Auf diese Weise wird es möglich, einen Elektromagneten zu verwenden, dessen nicht veränderte Kraft-Hub-Kennlinie annähernd der Kennlinie des anzutreibenden Gerätes, also bei­ spielsweise einer Federkennlinie entspricht. Über einen wesent­ lichen Teil des Hubs bleibt dabei die Hubkraft unverändert, aber auch im wesentlichen ausgenützt.

Erst in demjenigen Bereich, der durch das eingegebene Wegsignal bestimmt ist, verändert die Elektronik-Anordnung die Beaufschlagung des Magneten, d. h. verringert den Spulenstrom mit dem Ergebnis, daß die Hubkraft gleich wird mit der Federgegenkraft. Dadurch kann dann der Anker die gewünschte Stellung einnehmen, die einer gewünschten Ventilstellung od. dgl. entspricht.

Da es die Erfindung erlaubt, die Hubarbeit des Magneten wesentlich besser auszunützen, als dies bisher möglich erschien, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung kleinerer Abmessungen zum Antrieb eines Gerätes, z. B. eines Ventils, verwendet werden. Die kleineren Abmes­ sungen des Gleichstrom-Magneten bringen neben dem Vorteil des geringeren Herstellungsaufwandes auch den Vorteil mit sich, daß der zugehörige Anker eine kleinere Masse besitzt. Auf diese Weise wird die Ansprechzeit des Magneten in mehrfacher Hinsicht verbessert.

Der geringere Herstellungsaufwand für den kleineren Magneten gleicht dabei mindestens teilweise den Aufwand aus, der zur Verwirklichung der Erfindung notwendig ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kraft-Hub-Diagramm,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung die ein Ventil betätigt und

Fig. 3 einen Blockschaltplan der Vorrich­ tung gemäß der Erfindung.

In dem Kraft-Hub-Diagramm bezeichnet "s" den Hub des Ankers, wobei in der Praxis bei der Erregung der Spule der Ankerhub von rechts nach links verläuft. Mit "F" sind die Kräfte bezeichnet, die der Gleichstrom-Magnet auf­ bringt, bzw. die vom Gleichstrom-Magneten zu überwinden sind.

Die Federkennlinie 30 ist als Doppellinie eingezeichnet. Sie kennzeichnet bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel das vom Elektromagneten anzutreibende Gerät, z. B. das Ventil. In der Regel ist diese Federkennlinie geradlinig, ohne daß dies für die Erfindung entscheidend wäre.

Um als Proportional-Magnet zu wirken, ist der Anker bzw. das Ankergegenstück beim Stande der Technik so ausgebildet, daß an der Stelle 32 des Hubes ein wesent­ licher Teil der magnetischen Feldlinien rechtwinklig zur Hubbewegung verläuft, so daß dieser Feldlinienteil keine Hubkraft erzeugt. Bei Beaufschlagung der Spule mit Nennstrom ergibt sich dann eine Hubkraft entsprechend der Kennlinie 33. Wird die Magnetspule nur teilweise beaufschlagt, werden die Kennlinien 34 bis 37 erhalten. Alle Kennlinien 33 bis 37 bilden mit der Kennlinie 30 deutliche Schnittpunkte 38, die notwendig sind, um zu erreichen, daß über die Beaufschlagung der Spule ein­ deutige Ventilstellungen od. dgl. erhalten werden können.

Es ist klar, daß als Hubarbeit bei dem Diagramm nach der Fig. 1 nur die Fläche nutzbar ist, die sich unter der Kennlinie 30 befindet. Die nicht ausgenützte Hubarbeit ist bestimmt durch die Fläche zwischen den Kenn­ linien 30 und 33.

Die Kennlinien, die beim Stand der Technik erhalten werden, sind mit durchgehenden Linien dargestellt. Diejenigen Kenn­ linien die bei der Erfindung erhalten werden, sind zur Verdeut­ lichung demgegenüber gestrichelt gezeichnet. Bei einer Vor­ richtung gemäß der Erfindung kann ein Elektromagnet benützt werden, der bei maximaler Beaufschlagung eine Kennlinie entsprechend der Kennlinie 39 aufweist. Diese Kennlinie 39 ist weitgehend der Kennlinie 30 angenähert. Da bei der Erfindung derjenige Teil der Kennlinie, der waagrecht verlaufen oder leicht fallend sein sollte, über den Wegaufnehmer gesteuert wird, lassen sich Kennlinien 40 bis 44 erreichen, die jeweils an die Kennlinie 39 anschließen. Diese Kennlinien besitzen die gleichen Schnittpunkte 38 mit der Kennlinie 30. Es ist klar, daß es hierdurch möglich ist, die nicht ausgenutzte Hubarbeit sehr gering zu halten, wie durch die schmale Fläche zwischen den Linien 30 und 39 deutlich wird.

Das Diagramm gemäß Fig. 1 macht auch deutlich, daß bei der Erfindung mit einem beträchtlich kleinerem Elektromagneten ausgekommen werden kann, bzw. daß bei gleicher Baugröße deutlich höhere Kräfte erreichbar sind.

In der Fig. 2 ist mit 28 der Elektromagnet bezeichnet, der dazu bestimmt ist, das Ventil 25 anzutreiben. Das Ventil besitzt eine Feder 45 mit der Federkennlinie 30 gemäß Fig. 1. Das Ventil ist als Schieberventil ausgebildet, die Einzelheiten dieses Ventiles sind für die Erfindung ohne Bedeutung.

Der Gleichstrom-Magnet 28 besitzt eine Erregerwicklung 29, einen Anker 47 und ein Ankergegenstück 27. Der Anker, der mit geringer Reibung beweglich ist, ist mit der Ankerstange 24 verbunden, deren eines Ende 23 das Ventil 25 betätigt, während das andere Ankerstangenende 26 den Wegaufnehmer 21 antreibt. Der Wegaufnehmer steuert die Anordnung 22, der der Weg-Sollwert "W" von außen eingegeben wird. Der der Erregerwicklung 29 zugeleitete Strom ist mit "I" bezeich­ net.

Wie sich aus der Darstellung der Fig. 2 entnehmen läßt, besitzt der Anker 47 eine konische Ausnehmung 46, der das Ankergegenstück angepaßt ist. Die Ankerstange 24 ist z. B. durch Wälzkörper gelagert, um die Leichtgängigkeit sicherzustellen. Gleitlager oder Membranfedern erfüllen ebenfalls diese Aufgabe.

Die übrigen Teile des magnetischen Kreises sind nicht näher erwähnt. Sie besitzen eine übliche Ausgestaltung.

Das Signal, das der Wegaufnehmer 21 der Anordnung 22 zuleitet, kann eine vom Weg abhängige Spannung sein, ohne daß dies für das Wesen der Erfindung entscheidend wäre.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 verdeutlicht die Funk­ tion der Anordnung 22.

Von außen wird der Weg-Sollwert "W" eingegeben.

Als Ist-Größen werden der Schaltung Spannungen "U_i" und "U_s" zugeführt, die dem Erregerstrom (I) und der Ankerposition (s) proportional sind.

Das Wegsignal "U_s" gelangt über einen Verstärker 1 mit Offset-Einstellmöglichkeit auf einen Eingang des Analog- Dividierers 3, das Stromsignal "U_i" über einen Verstär­ ker 2 auf den anderen Eingang des Dividierers.

Der Dividierer bildet das Quotientensignal "s/i", das über einen Tiefpaß 4 einem Verstärker 5 zugeführt wird, des­ sen Verstärkung durch ein spezielles Netzwerk mit nichtli­ nearer Kennlinie bestimmt wird, die auf die Magnetkraft- Hub-Kennlinie des Elektro-Magneten abgestimmt ist. Der Verstärker 5, der im beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen von einer Zener-Diode gebildet ist, hat die Aufgabe, den bei Elektro-Magneten im Regelfall nicht- linearen Zusammenhang zwischen Ankerweg und Erreger­ strom nachzubilden. Seine Ausgangsspannung gelangt über ein PD-Glied 6 zum Kraftregler. Der D-Anteil dient zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften. Der Kraft­ regler besteht aus einem PI-Regler 8 mit invertierendem Verstärker 7 am Eingang und nicht invertieren dem Ver­ stärker 9 am Ausgang. Sein Signal stellt den Sollwert für den Erregerstrom-Regler dar, der aus dem Strom-Regler 10 mit Leistungsendstufe 12 mit Treiberstufe 11 besteht.

Zur Übererregung des Magneten bei Sollwert-Änderung dient ein Schaltungsteil, der aus einem D-Regler 13 mit vorgeschaltetem Impedanzwandler 14 und nachgeschaltetem Endstufenteil 15 besteht. Er erhöht bei Sollwert-Änderun­ gen vorübergehend die Versorgungsspannung der Leistungs­ endstufe des Strom-Reglers.

Die vorstehend beschriebene Schaltung arbeitet bezüglich der Magnetkraft als offene Steuerkette. Das von dem Ver­ stärker 18 kommende Eingangssignal des Verstärkers 7 ent­ spricht dem Kraft-Sollwert. Bei Belastung des Magneten mit einer Feder stellt sich ein der Kraft proportionaler Weg ein. Diese offene Steuerkette für den Weg s kann jedoch zu einem Lage-Regelkreis erweitert werden. Hierzu wird ein PID-Regler 16 benützt, der die von einem Summierer 17 gebildete Regelabweichung aus Weg-Soll- und Weg-Istwert mit geeignet gestaltetem Übertragungsverhalten über einen invertierenden Sum­ miererverstärker 18 an den Kraftregler aus den Elemen­ ten 7, 8 und 9 gibt. Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens kann der Weg-Sollwert über den Verstärker 31 und den Summiererverstärker 18 direkt auf den Kraft-Soll­ wert aufaddiert werden. Die Zuführung des Weg-Istwertes zum PID-Regler 16 wird über einen Tiefpaß 19 mit Offset- Einstellmöglichkeit zur Filterung der überlagerten Träger­ frequenz-Restspannung vom Wegaufnehmer-Oszillator und über einen Verstärker 20 vorgenommen.

Mittels der Erfindung lassen sich nicht nur waagrechte bzw. annähernd waagrechte Kraft-Hub-Kennlinien er­ reichen, wie diese der Proportionalmagnet besitzen sollte. Diese sind nur als Beispiel zu verstehen. Die Erfindung kann auch benutzt werden, um Kennlinien mit anderem Verlauf zu erhalten, mit dem Ziel einer optimalen Anpas­ sung des Magneten an das anzutreibende Gerät, ohne deshalb den Anker oder das Ankergegenstück in seiner Gestalt verändern zu müssen.

Die Erfindung kann auch bei anderen Magnetanordnungen Anwendung finden z. B. auch bei solchen, bei denen der magnetische Kreis durch Permanentmagnete beeinflußt wird, also z. B. bei Torque-Motoren und Linear-Motoren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines Schaltmagneten (28), der einen Anker (47), ein Ankergegenstück (27) und eine Erregerwicklung (29) umfaßt, eine Kraft-Hub-Kennlinie aufweist, die im Arbeitsbereich annähernd waagrecht ist und einen vom Anker angetriebenen Wegaufnehmer (21) enthält, als Magnet mit beliebigem Kraft-Hub-Kennlinien­ verlauf, indem mit dem Signal des Wegaufnehmers (21) durch eine Steuerungsanordnung (22) die Kraft-Hub- Kennlinie des Magneten (28) über die Stromversorgung der Erregerwicklung (29) in Abhängigkeit vom Hub in vor­ bestimmter Weise gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerungsanordnung (22) die Erregerwicklung (29) derart angesteuert wird, daß sich die Magnetkraft mindestens annähernd proportional zu einem vorgegebenen Sollwert verhält, wobei der Istwert der Kraft über eine elektronische Schaltung, die Teil der Steuerungsanordnung (22) ist, ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraft-Hub-Kennlinienfeld des Elektromagneten (28) durch ein Teil der Steuerungs­ anordnung (22) nachgebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraft-Hub-Kennlinienfeld durch ein Netzwerk mit linearen und nichtlinearen Bauteilen nachgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Netzwerk eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode mit parallel geschaltetem Widerstand verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Sollwert-Änderung vorübergehend die Versorgungsspannung der Erregerwicklung (29) übermäßig verändert wird.