DE3843138A1 - Verfahren zur steuerung und erfassung der bewegung eines ankers eines elektromagnetischen schaltorgans - Google Patents

Verfahren zur steuerung und erfassung der bewegung eines ankers eines elektromagnetischen schaltorgans

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfas­ sung der Bewegung eines Ankers eines elektro­ magnetischen Schaltorgans nach der Gattung des An­ spruchs 1.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 22 51 472 be­ kannt. Danach wird die mechanische Bewegung eines Ma­ gnetventilankers durch die Messung des durch die Ma­ gnetwicklung fließenden Stroms kontrolliert, insbe­ sondere dadurch, daß die zeitlichen Änderungen des Stromanstiegs erfaßt werden.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß Störungen in der Spannungsversorgung, die zu zeitlichen Änderungen des durch die Magnet- bzw. Erregerwicklung fließenden Stroms führen, als Hinweis auf die Bewegung des Ma­ gnetankers fehlgedeutet werden. Auf diese Weise ist also eine sichere Überwachung der Bewegung eines Ma­ gnetventilankers ausgeschlossen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung ins­ besondere zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art gemäß Oberbegriff des Anspruchs 13.
Bei einer aus der DE-PS 22 51 472 bekannten Vor­ richtung dieser Art findet eine Erfassung der zeitli­ chen Änderungen des an die Erregerwicklung angelegten Stroms während eines Zeitraumes statt, der von Beginn der Ansteuerung des Ankers bis über das Ende von des­ sen Bewegung hinaus reicht. Deshalb muß sicherge­ stellt sein, daß in dieser Überwachungsphase keine durch äußere Einflüsse hervorgerufenen zeitlichen Än­ derungen des Stromverlaufs stattfinden, aus denen auf eine Bewegung des Ankers rückgeschlossen werden könnte. Dadurch werden die Ansteuerungsmöglichkeiten des zugehörigen Magnetventils beschränkt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß die Bewegung des Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans unabhängig von Schwankungen der Energie­ versorgung sicher erkannt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, daß die zur Erzeugung der Be­ wegung des Ankers nötige Energie zu Beginn eines Schaltvorgangs für kurze Zeit sehr hoch sein kann, um die Bewegung des Ankers zu beschleunigen. Sobald sich der Anker bewegt, wird die Energie so weit gesenkt, daß der Anker in seiner betätigten Stellung, in der Einschaltstellung, verbleibt.
Entsprechend wird bei der Abschaltung des elektroma­ gnetischen Schaltorgans die Energie, die den Anker in seiner betätigten Stellung, der Einschaltstellung, hält, sehr rasch auf Null oder auch auf einen ne­ gativen Wert gesenkt. Dadurch wirken starke Be­ schleunigungskräfte auf den Anker. Sobald sich dieser bewegt, wird die Energie wieder auf einen Wert ange­ hoben, die unterhalb der Halteenergie liegt, die nö­ tig ist, um den Anker in seiner betätigten Stellung zu halten. Dadurch bewegt sich der Anker sehr rasch in die Ausschaltstellung. Durch die Anhebung der En­ ergie auf einen definierten Wert unterhalb der Hal­ teenergie wird ein Magnetfeld induziert, dessen auf der Bewegung des Ankers bzw. auf dem Ende der Bewe­ gung des Ankers beruhende Änderung erfaßt werden kann.
Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die rasche Anhebung der Energie auf ein hohes Niveau beim Einschaltvorgang bzw. die rasche Absenkung der Ener­ gie auf ein niedriges Niveau beim Ausschaltvorgang nur so lange aufrechterhalten wird, bis eine Bewegung des Ankers stattfindet. Da die unmittelbare Erfassung der Ankerbewegung sehr aufwendig ist, wird der defi­ nierte Wert der Energie nach einer Zeit T o einge­ stellt, nach der mit Sicherheit eine Bewegung des An­ kers stattfindet. Die Zeit wird allerdings kleiner gewählt als die Zeit, die bis zur Erreichung des Ein­ schaltzustands bzw. des Ausschaltzustands ver­ streicht. Auf diese Weise wird eine starke Beschleu­ nigung des Ankers erreicht.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird der definierte Wert der Energie wenigsten bis zum Ende der Ankerbe­ wegung in etwa konstant gehalten. Dadurch kann die Bewegung des Ankers besonders einfach überwacht wer­ den.
Schließlich wird bei einem besonders bevorzugten Ver­ fahren die Änderung des Stroms oder der Spannung an der Erregerwicklung in einem Zeitintervall erfaßt, das vor dem Ende der Bewegung beginnt und nach dem Ende der Bewegung endet. Auf diese Weise wird eine Filterfunktion erreicht, die sicherstellt, daß durch äußere Einflüsse hervorgerufene Strom- bzw. Span­ nungsänderungen nicht fehlgedeutet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art mit den in Anspruch 13 genannten Merkmalen hat gegen­ über bekannten Vorrichtungen den Vorteil, daß zeit­ liche Änderungen des Strom- bzw. Spannungsverlaufs unmittelbar nach dem Ein- bzw. Ausschaltvorgang nicht erfaßt werden. Daher ist es möglich, beim Einschalten des elektromagnetischen Schaltorgans die zur Bewegung des Ankers notwendige Energie für kurze Zeit sehr hoch einzustellen und nach Beginn der Bewegung des Ankers abzusenken. Entsprechend ist es möglich, nach dem Abschalten des elektromagnetischen Schaltorgans die an der Erregerwicklung anliegende Energie sehr rasch zu senken. Die beim Ein- und Ausschalten auf­ tretenden zeitlichen Änderungen werden bei dieser Vorrichtung nicht als Bewegungen des Ankers fehlge­ deutet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der in Anspruch 13 genannten Vorrichtung möglich.
Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Steuerung eines elektromagnetischen Schaltorgans;
Fig. 2 ein dem Schaltbild gemäß Fig. 1 zugeordnetes Schaltdiagramm;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes ver­ schiedener Signale in der Vorrichtung gemäß Fig. 3 während eines Einschaltvorgangs;
Fig. 5 ein weiteres Diagramm des zeitlichen Verlaufs verschiedener Signale der Schaltung gemäß Fig. 3 während des Einschaltvorgangs und
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale der Schaltung gemäß Fig. 3 während eines Ausschalt­ vorgangs.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung sind zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines beliebigen elektromagnetischen Schaltorgans ge­ eignet. Vorzugsweise lassen sich Verfahren und Vor­ richtung der im folgenden beschriebenen Art einsetzen bei der Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Magnetankers eines Magnetventils, das zur Steuerung einer Einspritzpumpe eines Dieselmotors verwendet wird. Es ist aber auch möglich, die Bewegung eines Ankers eines Magnetventils zu Überwachen, das bei­ spielsweise für eine Antiblockiereinrichtung eines Bremssystems verwendet wird.
In Fig. 1 ist beispielhaft ein Magnetventil 1 dar­ gestellt, das zur Steuerung einer in der Figur nicht dargestellten Einspritzpumpe eines Dieselmotors ver­ wendet wird. Die Erregerwicklung 3 des Magnetventils liegt in Reihe mit einer Spannungsquelle 5 und mit mindestens einem steuerbaren Schalter bzw. einem elektrisch oder elektronisch steuerbaren Ventil 7, beispielsweise einem Transistor, der von einer Steuer- und Regeleinheit 9 entsprechend einem Steuer­ signal 11 angesteuert wird. Die an der Erregerwick­ lung 3 abfallende Spannung wird mit u 1 bezeichnet und die Spannung am Ventil 7 mit u 2. Fig. 2 zeigt einen möglichen zeitlichen Verlauf des Steuersignals 11, des durch die Erregerwicklung 3 fließenden Stroms i und den zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers des Magnetventils 1. Dieser kann aus einer unbetätigten Stellung S 1 in eine betätigte Stellung S 2 gebracht werden.
Die Bewegung des Magnetankers aus der Stellung S 1 in die Stellung S 2 wird als Einschaltvorgang bezeichnet. Die bis zur Erreichung der Einschaltstellung S 2 ver­ streichende Zeit wird mit T E bezeichnet, der Ein­ schaltzeitpunkt mit E. Entsprechend wird die Bewegung des Magnetankers aus der Stellung S 2 in die Stellung S 1 als Ausschaltvorgang bezeichnet. Die Ausschaltzeit wird mit T A bezeichnet, der Ausschaltzeitpunkt mit A.
Das Magnetventil wird hier durch ein rechteckförmiges Steuersignal angesteuert. Wenn das Steuersignal 11 eingeschaltet wird, erhöht sich der Strom i über einen als Anzugsstrom i A bezeichneten ersten Wert hinaus. Der Anzugsstrom ist erforderlich, um das Magnetventil aus seiner abgeschalteten Stellung S 1 in die betätigte Stellung S 2 zu bringen.
Nach Ablauf der Einschaltzeit T E wird der durch die Erregerwicklung 3 fließende Strom i auf einen unter­ halb des Anzugsstroms liegenden Wert gesenkt. Er ist hier höher als der Haltestrom i H , der mindestens erforderlich ist, den Magnetanker des Magnetventils in seiner betätigten Stellung S 2 zu halten.
Wenn das Magnetventil 1 abgeschaltet werden soll, wird das Steuersignal 11 auf seinen Ausgangswert ge­ senkt. Gleichzeitig wird der durch die Erregerwick­ lung 3 fließende Strom i ebenfalls auf den Ausgangs­ wert, beispielsweise auf Null gesenkt. Dadurch bewegt sich der Anker des Magnetventils aus der betätigten Stellung S 2 in die unbetätigte Stellung S 1. Nach Ab­ lauf der Ausschaltzeit T A hat der Anker die Aus­ schaltstellung S 1 erreicht.
Die Ein- und Ausschaltzeiten T A und T E und damit der Einschaltzeitpunkt E und der Ausschaltzeitpunkt A sind von einer Reihe von Parametern, beispielsweise von Fertigungstoleranzen, dem Zustand der Spannungs­ quelle oder der Höhe und Änderungsgeschwindigkeit des Stroms i abhängig und unterliegen daher erheblichen Streuungen. Daraus ergeben sich bei einer Kraftstoff- Einspritzung unerwünschte Abweichungen der Einspritz­ zeit und der Einspritzmenge.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der die Bewegung des Ankers eines elektromagnetischen Schalt­ organs gesteuert und erfaßt werden kann. Als Schalt­ organ ist hier wieder beispielhaft ein Magnetventil gewählt, von dem hier lediglich die Erregerwicklung 3 dargestellt ist. Diese liegt in Reihe zu einer Span­ nungsquelle 5, beispielsweise einer Batterie, und zu einem steuerbaren Schalter bzw. elektronisch steuer­ baren Ventil 7, beispielsweise einem Transistor. Die an der Erregerwicklung 3 abfallende Spannung wird mit u 1, die Spannung am Ventil 7 mit u 2 und der in der Reihenschaltung fließende Strom mit i bezeichnet. Das steuerbare Ventil wird von einer Steuer- und Regeleinheit 9 angesteuert, der ein Steuersignal 11 zugeführt wird. Der Steuer- und Regeleinheit 9 ist ein Zeitgeber bzw. ein Zeitglied 13, das beispiels­ weise als Monoflop ausgelegt ist, zugeordnet. Der Steuer- und Regeleinrichtung 9 können zusätzlich in Fig. 3 nicht dargestellte Meßsignale für den Strom i oder die Spannungen U 1 bzw. U 2 zugeführt werden.
Das Steuersignal 11 wird auch einem ersten Zeitgeber 15 sowie einem zweiten Zeitgeber 17 einer Torschal­ tung zugeleitet. Als Zeitgeber werden hier beispiels­ weise Kippschaltungen verwendet, wobei hier der in­ vertierende Ausgang des ersten Zeitgebers 17 und der nicht-invertierende Ausgang des zweiten Zeitgebers 18 mit einem UND-Gatter 19 verbunden ist. Das Ausgangs­ signal des UND-Gatters ist hier mit 21 bezeichnet.
Parallel zur Erregerwicklung 3 ist eine Meßein­ richtung 23, beispielsweise ein Differenzverstärker geschaltet. Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 23 wird über eine Leitung 25 einer Differenzierschaltung 27 zugeleitet, die z. B. einen auf übliche Weise beschalteten Operationsverstärker enthält. Die Differenzierschaltung 27 ist über eine Leitung 29 mit einem als Vergleicherschaltung dienenden Schwellwert­ schalter 31 verbunden, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 33 dem UND-Gatter 19 zugeführt wird. Dem Schwellwertschalter 31 wird über eine Leitung 35 ein Schwellwert S zugeführt.
Die Schaltung nach Fig. 3 kann abgewandelt werden, indem die der Erregerwicklung 3 parallelgeschaltete Meßeinrichtung 23 für die Spannung U 1 durch eine Meß­ einrichtung für den Strom 1, beispielsweise ein Shunt in Reihe zur Erregerwicklung 3, ersetzt wird, deren Ausgangssignal ebenfalls der Differenzierschaltung 27 zugeleitet wird.
Die Funktion der in Fig. 3 dargestellten Schaltung und die zeitlichen Verläufe der Potentiale in ver­ schiedenen Leitungen der Anordnung sollen zunächst anhand eines Einschaltvorgangs erläutert werden. Die zeitliche Änderung der Potentiale ist dazu in Fig. 4 dargestellt.
Ganz oben in dem Diagramm ist der zeitliche Verlauf des Steuersignals 11 dargestellt. Aufgrund dieses Signals wird der steuerbare Schalter 7 von der Steuer- und Regeleinheit 9 angesteuert, so daß sich der in Fig. 4 dargestellte Verlauf des Stroms i er­ gibt. Der Strom durch die Erregerspule steigt zunächst sehr rasch auf einen Wert an, der durch die Spannung der Spannungsversorgung 5 und durch den In­ nenwiderstand der Erregerwicklung 3 sowie durch den Innenwiderstand des steuerbaren Schalters 7 gegeben ist. Nach einer Zeit T o wird der steuerbare Schalter bzw. das Ventil 7 durch die Steuer- und Regeleinheit 9 so angesteuert, daß sich ein definierter Wert, der Einschaltkonstantstrom i E ergibt. Durch den Zeitgeber 13 wird die Zeit T o vorgegeben. Der Zeitgeber wird mit dem Steuersignal 11 beaufschlagt, und beeinflußt die Steuer- und Regeleinheit 9 so, daß der Strom i durch die Erregerwicklung 3 zunächst nicht beeinflußt wird und auf einen maximalen Wert steigt. Nach der Totzeit T o wird die Steuer- und Regeleinheit 9 akti­ viert.
Der Zeitgeber 13 ist so dimensioniert, daß die vor­ gegebene Totzeit T o kleiner ist als die Einschaltzeit T E des elektromagnetischen Schaltorgans bzw. des Ma­ gnetventils.
Die Totzeit T o ist so gewählt, daß der durch die Er­ regerspule 3 fließende Strom i erst gesenkt wird, wenn der Anker der Erregerwicklung in Bewegung gekom­ men ist. Dies ist ebenfalls aus Fig. 4 ersichtlich. Nach der Zeit T o hat sich der Anker aus einer Grund­ stellung S 1 herausbewegt in Richtung auf eine betä­ tigte Stellung S 2. Die Bewegung des Ankers ist zum Einschaltzeitpunkt E, also nach Ablauf der Einschalt­ zeit T E, abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt hat der Magnetanker die betätigte Stellung S 2 erreicht.
In dem vierten Diagramm von oben in Fig. 4 sind der zeitliche Verlauf der an der Erregerwicklung 3 ab­ fallenden Spannung u 1 sowie das Potential der Leitung 25, also das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 23 dargestellt.
Die Spannung u 1 an der Erregerwicklung 3 steigt, ebenso wie das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 23, sehr rasch an. Aus dem Diagramm ist erkennbar, daß die Spannung u 1 aufgrund der Bewegung des Ankers, aber auch durch die Reduktion des Stroms i zunächst abfällt und dann langsam wieder ansteigt. Sobald der Anker die betätigte Stellung S 2 erreicht hat, also die Bewegung des Ankers endet, fällt die Spannung u 1 an der Erregerwicklung 3 und damit am Ausgang der Meßeinrichtung 23 schlagartig ab.
In dem fünften Diagramm von oben ist in Fig. 4 der Potentialverlauf am Ausgang der Differenzierschaltung 27, also das Signal auf der Leitung 29 dargestellt.
Es handelt sich hierbei um die zeitliche Ableitung des Signals auf der Leitung 25. Besonders deutlich ist die am Ausgang der Differenzierschaltung 27 auf­ tretende Spannungsspitze, die bei Beendigung der An­ kerbewegung zum Einschaltzeitpunkt E auftritt.
Aufgrund dieser Spannungsspitze kann das Ende der Be­ wegung des Ankers ermittelt werden. Dazu wird das Signal auf der Leitung 29, das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 27, dem Schwellwertschalter 31 zugeführt. Dieser vergleicht das Ausgangssignal der Differenzierschaltung mit dem eingegebenen Schwell­ wert S. Sobald das Signal auf der Leitung 29 den Schwellwert S unterschreitet, erscheint am Ausgang 33 des Schwellwertschalters 31 ein Signal, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Schwellwert S wird so gewählt, daß der Schwellwertschalter 31 nicht auf kleinere Störsignale reagiert. Im Ausgangssignal 33 des Schwellwertschalters tritt somit zum Einschalt­ zeitpunkt E ein Impuls auf.
Aufgrund eines Störsignals, z. B. in der Energiever­ sorgung, kann das Ausgangssignal 29 der Differenzier­ schaltung 27 auch unerwünschte Spannungsspitzen 29 a aufweisen, die den Schwellwert S unterschreiten. In einem solchen Fall würde an der Ausgangsleitung 33 des Schwellwertschalters 31 ein Ausgangssignal 33 a auftreten, welches als Ende der Bewegung des Ankers gedeutet würde.
Um Fehlinterpretationen dieser Art zu vermeiden, ist eine Torschaltung vorgesehen, mit deren Hilfe eine Auswertung der Ausgangssignale 33 nur innerhalb be­ stimmter Zeiträume ermöglicht wird. Dazu sind ein erster Zeitgeber 15 sowie ein zweiter Zeitgeber 17 vorgesehen, deren Ausgangssignale 15 und 17′ einer Auswertungsschaltung zugeleitet werden, die hier als UND-Gatter 19 ausgelegt ist. Dieses ist auch mit dem Ausgang 33 des Schwellwertschalters 31 verbunden.
Der erste Zeitgeber ist so ausgelegt, daß während einer Zeit T 1 ein Signal an seinem invertierenden Ausgang anliegt. Während der Zeit T 1 liegt also ein von dem ersten Zeitgeber 15 abgegebener negativer Im­ puls an der Auswertungsschaltung bzw. an dem UND-Gat­ ter 19 an.
Der zweite Zeitgeber ist so ausgelegt, daß ein posi­ tiver Impuls während einer Zeit T 2 an seinem nicht invertierenden Ausgang 17′ anliegt.
Durch die Torschaltung und die Auswertungsschaltung ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal 33 des Schwellwertschalters 31 nur dann weitergeleitet wird, d.h. am Ausgang 21 des UND-Gatters 19 erscheint, wenn erstens das negative Signal des ersten Zeitgebers 15 nicht mehr vorhanden ist und wenn das positive Signal des zweiten Zeitgebers 17 an der Auswertungsschaltung anliegt. Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters kann also nur nach Ablauf der Zeit T 1 und vor Ablauf der Zeit T 2 weitergeleitet werden.
Die Zeiten T 1 und T 2 sind so gewählt, daß das Aus­ gangssignal des Schwellwertschalters nur in einem Zeitraum weitergeleitet und damit ausgewertet wird, der vor dem Einschaltzeitpunkt E beginnt und nach diesem Zeitpunkt endet.
Der Verlauf der Signale an den Ausgängen der Zeit­ geber 15 und 17 ist in Fig. 4 dargestellt. Ebenso ist dort das Ausgangssignal 21 der Auswertungs­ schaltung wiedergegeben. Es ist erkennbar, daß ledig­ lich am Ende der Bewegung des Ankers ein Signal auf der Leitung 21 erscheint. Außerhalb des von der Tot­ zeitschaltung vorgegebenen Zeitrahmens können auf­ grund von Spannungsschwankungen auftretende Fehler­ signale die Auswertungsschaltung nicht passieren. Fehlersignale werden also ausgefiltert. Auf diese Weise kann das Bewegungsende des Ankers mit sehr hoher Sicherheit ermittelt werden.
Wenn die Ankerrückwirkung so schwach ist, daß die beim Bewegungsende auftretende Signalspitze nicht sicher erkannt werden kann, so ist es vorteilhaft,
zwischen der Differenzierschaltung 27 und dem Schwellwertschalter 31 weitere in Reihe geschaltete Differenzierschaltungen vorzusehen.
Während anhand von Fig. 4 die Stromansteuerung eines elektromagnetischen Steuerorgans beschrieben wurde, wird anhand von Fig. 5 die Spannungsansteuerung ei­ nes solchen Schaltorgans während des Einschaltvor­ gangs erläutert. Hierzu wird, wie bereits oben be­ schrieben, die Meßeinrichtung 23 für die Spannung U 1 durch eine Meßeinrichtung für den Strom i ersetzt, deren Ausgangssignal ebenfalls der Differenzierschal­ tung 27 zugeführt wird.
In dem ersten Diagramm ist der zeitliche Verlauf des Steuersignals 11 dargestellt. Das zweite Diagramm ge­ mäß Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der an der Erregerwicklung 3 anliegenden Spannung u 1. Auch hier wird nach einer von dem Zeitgeber 13 vorgegebenen Zeit T o eine Reduktion der Versorgungsenergie vorge­ nommen, d.h. die Spannung wird auf die Einschalt­ konstantspannung reduziert. Diese Energie reicht aus, den Anker des Schaltorgans in der betätigten Stellung zu halten. Zunächst wird die Spannung, wie bei der Stromansteuerung, auf einen maximalen Wert angehoben, der von der Spannungsversorgung und den an der Span­ nungsquelle liegenden Verbrauchern bestimmt wird. So­ bald der Magnetanker in Bewegung gekommen ist und die nicht betätigte Stellung S 1 verlassen hat, wird die Spannung abgesenkt. Da eine direkte Erfassung des Be­ ginns der Ankerbewegung schwerlich möglich ist, wird die Spannung u 1 nach einer Zeit T o abgesenkt, nach der mit Sicherheit eine Bewegung des Ankers erfolgt. Diese Zeit wird jedoch so gewählt, daß sie kleiner ist als die Einschaltzeit T E .
Der Verlauf der Bewegung des Ankers ist in dem drit­ ten Diagramm gemäß Fig. 5 dargestellt. Es ist deut­ lich, daß der Anker nach Ablauf der Einschaltzeit T E bzw. zum Einschaltzeitpunkt E die betätigte Stellung S 2 erreicht hat.
Das vierte Diagramm in Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des durch die Erregerwicklung 3 fließenden Stroms i und den Verlauf des Signals am Ausgang 25 der Meßeinrichtung 23. Aus dem zeitlichen Verlauf des durch die Erregerwicklung fließenden Stroms i und des Signals auf der Leitung 25 ist ersichtlich, daß zunächst ein steiler Anstieg des Stroms erfolgt. So­ bald der Anker in Bewegung kommt, ist der Anstieg aufgrund der auf dem Magnetfeld beruhenden Rück­ wirkung wesentlich geringer. Wenn nach Ablauf der Einschaltzeit T E der Anker zur Ruhe kommt, d.h. nach dem Einschaltzeitpunkt E, steigt der Strom wieder an.
Nachdem der Anker die betätigte Stellung S 2 erreicht hat, kann der Strom i durch die Erregerwicklung 3 auf einen Wert gesenkt werden, der ausreicht, den Anker in der betätigten Stellung S 2 zu halten. Dieser Stromwert ist vorzugsweise nur wenig größer als der Haltestrom.
Das nächste Diagramm in Fig. 5 zeigt die zeitliche Ableitung des Ausgangssignals 25 der Meßeinrichtung 23. Diese Ableitung wird mit Hilfe des Differenzier­ glieds 27 durchgeführt. Aus dem Kurvenlauf ist er­ sichtlich, daß bei Erreichen des Einschaltzustands S 2 zum Zeitpunkt E die zeitliche Ableitung ihre Größe schlagartig ändert. Kurz vor diesem Zeitpunkt unter­ schreitet die zeitliche Ableitung einen Schwellwert S, so daß am Ausgang 33 des Schwellwertschalters 31 ein Signal erscheint.
Der Schwellwert S des Schwellwertschalters 31 wird so gewählt, daß der Schwellwert während der Bewegung des Ankers unterschritten und nach dem abrupten Ende der Ankerbewegung zum Einschaltzeitpunkt E wieder über­ schritten wird. Im Ausgangssignal des Schwellwert­ schalters 31 tritt somit zum Zeitpunkt E ein Flanken­ wechsel auf.
Das Ende der Ankerbewegung ist dann besonders sicher erkennbar, wenn die Einschaltkonstantspannung so ge­ wählt wird, daß der Strom i während der Ankerbewegung abnimmt und nach deren Ende wieder zunimmt. In diesem Fall wechselt die zeitliche Ableitung des Stroms i und damit das dem Schwellwertschalter 31 zugeführte Signal zum Zeitpunkt E das Vorzeichen.
Wenn der durch die Erregerwicklung 3 fließende Strom i auf einen Wert gesenkt wird, der nur wenig größer ist als der Haltestrom, überschreitet das Signal 29 am Ausgang der Differenzierschaltung 27 wiederum den Schwellwert S. Dies führt bei der Auswertung des Signals dazu, daß mehrere Flankenwechsel vorhanden sind, die als Ende der Ankerbewegung gedeutet werden können. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, ist die oben beschriebene Torschaltung vorgesehen, die die Auswertung des Ausgangssignals des Schwellwert­ schalters 31 auf einen Zeitraum begrenzt, der kurz vor Erreichen des Einschaltzeitpunkts E beginnt und kurz danach endet. Dies wird dadurch erreicht, daß die Zeitkonstante T 1 des ersten Zeitgebers 15 der Torschaltung kleiner ist als die Einschaltzeit TE und daß die Zeitkonstante T 2 des zweiten Zeitgebers 17 größer ist als die Einschaltzeit T E .
Der Verlauf der Signale der Zeitgeber 17 und 15 ist ebenfalls in Fig. 5 dargestellt. Insofern wird je­ doch auf die Beschreibung zu Fig. 4 verwiesen.
Das Ausgangssignal 21 der Signalauswertungsschaltung 19, die auch hier als UND-Gatter ausgelegt ist, ist als letztes Diagramm in Fig. 5 dargestellt. Es zeigt sich, daß lediglich ein Signal auftritt, wenn der An­ ker zur Ruhe kommt, und daß andere Signale ausge­ filtert sind.
Wenn bei sehr schwacher Ankerrückwirkung die beim Be­ wegungsende auftretende Spannungsspitze nicht sicher erkannt werden kann, so können zwischen der Differen­ zierschaltung 27 und dem Schwellwertschalter 31 wei­ tere in Reihe geschaltete Differenzierschaltungen vorgesehen werden.
Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Signale in einer Schaltung gemäß Fig. 3 bei einem Ausschaltvor­ gang.
In dem obersten Diagramm von Fig. 6 ist der zeit­ liche Verlauf des Steuersignals 11 dargestellt. Auf­ grund des Abfalls des Steuersignals wird der steuer­ bare Schalter 7 von der Steuer- und Regeleinheit 9 so angesteuert, daß der Strom i durch die Erreger­ wicklung 3 des elektromagnetischen Schaltorgans bzw. des Magnetventils sehr rasch abfällt. Bei der Dar­ stellung in Fig. 6 fällt der Strom i auf den Wert 0 ab. Es ist jedoch auch möglich, daß hier mit einer geeigneten Schaltung negative Stromwerte eingestellt werden. Sobald der Strom i den Haltestrom i H unter­ schreitet, verläßt der Anker des elektromagnetischen sich in die unbetätigte Stellung S 1. Nach einer Zeit T o wird der Strom auf einen Wert unterhalb des Hal­ testroms angehoben, nämlich auf den Ausschalt­ konstantstrom i A . Durch die rasche Absenkung des Stroms i erfolgt eine hohe Beschleunigung des Ankers. Die Zeit T o wird durch den Zeitgeber 13 eingestellt. Die Zeit T o ist so gewählt, daß der Strom erst wieder angehoben wird, wenn der Anker in Bewegung geraten ist. Auch hier wird die Zeitspanne T o beispielsweise durch Versuche ermittelt und so gewählt, daß die An­ hebung des Stroms vor Ablauf der Ausschaltzeit T A , das heißt vor Erreichen des Ausschaltzeitpunkts A er­ folgt.
Die Bewegung des Ankers ist ebenfalls in Fig. 6 dar­ gestellt. Er bewegt sich aus der betätigten Stellung S 2 innerhalb der Ausschaltzeit T A in die unbetätigte Stellung S 1. Die Bewegung des Schalters endet zum Ausschaltzeitpunkt A.
Der zeitliche Verlauf der Spannung u 1 an der Erreger­ wicklung 3 und des Ausgangssignals 25 der Messein­ richtung 23 sind ebenfalls in Fig. 6 dargestellt. Durch die rasche Stromänderung findet auch eine sehr schnelle Änderung der Spannung u 1 statt. Sobald der Anker sich bewegt, findet eine Rückwirkung auf den Spannungsverlauf statt. Nach Ablauf der Abschaltzeit T A zum Zeitpunkt A endet die Bewegung und damit die Rückwirkung der Ankerbewegung auf die Spannung. Die Rückwirkung wird durch den konstanten Ausschaltstrom ermöglicht, der ein Magnetfeld in der Erregerwicklung induziert.
Die zeitliche Ableitung des Ausgangssignals 25 wird in der Differenzierschaltung 27 erzeugt, deren Aus­ gangssignal 29 ebenfalls in Fig. 6 dargestellt ist. Das Ausgangssignal 29 ändert sich, je nach dem ob die Spannung am Ausgang der Messeinrichtung steigt oder fällt. Der jähe Spannungsabfall am Ende der Anker­ bewegung wird durch eine Spannungsspitze angezeigt. Das Potential der Spannung ist dabei so hoch, daß ein vorgegebener Schwellwert S überschritten wird.
Bei Überschreiten des Schwellwerts S erscheint am Ausgang 33 des Schwellwertschalters 31 ein Signal, das in Fig. 6 ebenfalls dargestellt ist.
Aus Fig. 6 ist ebenfalls ersichtlich, daß am Ausgang 33 des Schwellwertschalters 31 auch dann ein Signal erscheint, wenn aufgrund von Störungen, beispiels­ weise bei Schwankungen der Versorgungsspannung das Signal am Ausgang der Differenzierstufe 27 den Schwellwert S überschreitet. Ein derartiges Signal ist in Fig. 6 mit 29a bezeichnet. In diesem Fall er­ scheint am Ausgang des Schwellwertschalters ein Signal 33 a, welches als Bewegungsende des Ankers fehlgedeutet werden könnte. Dies führt zu Unsicher­ heiten bei der Auswertung der Signale.
Durch die anhand der Fig. 4 und 5 beschriebene Torschaltung werden Fehlersignale ausgefiltert. Der negative Impuls 15′, der während der Zeitspanne T 1 vorhanden ist, sowie der positive Impuls 17′ während der Zeitspanne T 2 sind in der Fig. 6 dargestellt. Durch die Auswertungsschaltung 19, die als UND-Gatter ausgelegt ist, wird das Ausgangssignal 33 des Schwellwertschalters 31 nur in einer Zeitspanne durchgelassen, die kurz vor dem Abschaltzeitpunkt A beginnt und kurz danach endet.
Die von den Zeitgebern 15 und 17 der Torschaltung vorgegebenen Zeitspannen T 1 und T 2 können konstant ausgelegt sein. Es ist jedoch auch möglich, diese Zeitspannen in Abhängigkeit von Parametern zu wählen, die die Einschaltzeit T E bzw. die Ausschaltzeit T A beeinflussen. Als Parameter werden Größen gewählt, die für die Funktion der elektromagnetischen Schalt­ organs entscheidend sind. Beispielsweise werden die Zeiten T 1 und T 2 in Abhängigkeit von der Spannung der Spannungsquelle 5 oder in Abhängigkeit von dem Wert des durch die Erregerwicklung 3 fließenden Stroms i gewählt.
Dadurch, daß die Erregerwicklung 3 nach dem Ein­ schalten entweder mit einem Einschaltkonstantstrom oder einer Einschaltkonstantspannung beaufschlagt wird, wird ein Magnetfeld induziert, welches durch die Bewegung des Ankers beeinflußt wird. Durch das Magnetfeld findet eine Rückwirkung auf den zeitlichen Verlauf der nicht konstant gehaltenen Größe statt, d.h. im Falle des Einschaltkonstantstroms auf die Spannung U 1, im Fall der Einschaltkonstantspannung auf den Strom i. Änderungen dieser Größe dienen dann der Ermittlung des Endes des Bewegungsablaufs. Ebenso wird beim Abschaltvorgang durch den Ausschalt­ konstantstrom ein Magnetfeld in der Erregerwicklung 3 des elektromagnetischen Schaltorgans induziert, wel­ ches durch die Ankerbewegung verändert wird. Die dar­ auf beruhenden zeitlichen Änderungen der Spannung U 1 können dazu herangezogen werden, das Ende der Anker­ bewegung zu erfassen.
Nach dem oben Gesagten ergibt sich, daß die Anker­ bewegung und insbesondere der Zeitpunkt des Be­ wegungsendes sowohl bei der Ansteuerung mittels einer Spannung als auch bei der Ansteuerung mittels eines Stroms erfaßt werden kann.
Der Einschalt- bzw. Ausschaltkonstantstrom bzw. die Einschaltkonstantspannung nach Ablauf der Zeit T o an­ gelegt, bis die Einschalt- bzw. Ausschaltzeit ab­ gelaufen ist. Dadurch ist die Überwachung der Anker­ bewegung besonders einfach. Einflüsse von Spannungs­ schwankungen bzw. Stromschwankungen, die fälsch­ licherweise auf das Ende der Ankerbewegung schließen lassen, werden damit weitgehend ausgeschlossen.
Nach dem Einschaltzeitpunkt können der durch die Er­ regerrichtung 3 fließende Strom i bzw. die an der Wicklung anliegende Spannung u 1 bis zur Einleitung des Ausschaltvorgangs einen beliebigen Verlauf ober­ halb des durch den Haltestrom bzw. durch die Halte­ spannung vorgegebenen Grenzwerts aufweisen. Entspre­ chend können nach dem Ausschaltzeitpunkt bis zur Ein­ leitung des nächsten Einschaltvorgangs der Strom i bzw. die Spannung u 1 einen beliebigen Verlauf unter­ halb des durch den Anzugstrom bzw. die Anzugspannung vorgegebenen Grenzwerts aufweisen.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung kann die Bewegung, insbesondere das Be­ wegungsende des Ankers beispielsweise eines Magnet­ ventils für die Kraftstoffeinspritzung einer Brenn­ kraftmaschine sehr genau überwacht werden, so daß Einspritzzeitpunkt und Einspritzdauer optimal ein­ stellbar sind.

Claims (15)

1. Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans, das eine Erregerwicklung aufweist, mit folgenden Schritten:
  • - zur Bewegung des Ankers in eine erste betätigbare Stellung wird ein Strom oder eine Spannung an die Er­ regerwicklung gelegt,
  • - der Strom oder die Spannung wird vor Beginn der Be­ wegung des Ankers über einen Wert angehoben, bei dem der Anker in der betätigten Stellung verbleibt, und vor Beendigung der Bewegung des Ankers auf einen de­ finierten, konstanten Wert gesenkt, der ausreicht, den Anker in der betätigten Stellung zu halten,
  • - im Fall der Absenkung auf einen konstanten Strom­ wert wird die zeitliche Änderung der Spannung, im Falle der Absenkung auf einen konstanten Spannungs­ wert wird die zeitliche Änderung des Stroms nach Ein­ stellung des definierten Werts den zur Erkennung des Endes der Ankerbewegung erfaßt.
2. Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans, das eine Erregerspule aufweist, mit folgenden Schritten:
  • - der durch die Erregerwicklung fließende Strom oder die an der Erregerwicklung anliegende Spannung, der/die den Anker in einer ersten betätigten Stellung hält, wird auf einen Wert gesenkt, bei dem der Anker sich aus der betätigten Stellung in eine nicht be­ tätigte Stellung bewegt,
  • - bevor die Bewegung des Ankers bei Erreichen seiner zweiten nicht betätigten Stellung aufhört, wird der Strom oder die Spannung auf einen definierten, kon­ stanten Wert erhöht, bei dem der Anker in der nicht betätigten Stellung verbleibt,
  • - die zeitlichen Änderungen des Stroms im Fall der konstant gehaltenen Spannung oder der Spannung im Fall des konstanten Stroms nach Einstellen des de­ finierten, konstanten Werts werden zur Erkennung des Endes der Ankerbewegung erfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strom oder die Spannung zur Erzielung einer raschen Ankerbewegung schnell auf einen hohen Wert angehoben wird, und daß die Absenkung auf den definierten Wert nach einer vorgegebenen Zeit T o erfolgt, die kleiner ist als die Zeit T E , die bis zur Erreichung der betätigten Stel­ lung des Ankers verstreicht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der definierte Wert des Stroms, der Einschaltkonstantstrom, oder daß der de­ finierte Wert der Spannung, die Einschaltkonstant­ spannung, größer oder gleich gewählt wird als der An­ zugsstrom/die Anzugsspannung, der/die zur Bewegung des Ankers in die betätigte Stellung erforderlich ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strom oder die Spannung zur Erzielung einer raschen Ankerbewegung schnell auf einen kleinen Wert gesenkt wird, und daß die Anhebung auf den definierten Wert nach einer vor­ gegebenen Zeit T o erfolgt, die kleiner ist als die Zeit T A , die bis zum Erreichen der nicht betätigten Stellung des Ankers verstreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der definierte Wert des Stroms, der Ausschaltkonstantstrom, oder daß der de­ finierte Wert der Spannung, die Ausschalt­ konstantspannung, kleiner gewählt wird als der Halte­ strom/die Haltespannung, der/die erforderlich ist, den Anker in der betätigten Stellung zu halten.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit T o so ge­ wählt wird, daß schon eine Bewegung des Ankers statt­ findet, wenn der definierte Wert des Stroms oder Spannung eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Än­ derungen des Stroms oder der Spannung in einem Zeit­ intervall erfaßt werden, das vor dem Ende der Anker­ bewegung beginnt und nach dem Ende der Bewegung endet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Beginn und Ende des Zeitintervalls insbesondere in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung des elektromagnetischen Schaltor­ gans gewählt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung der Ener­ gieversorgung der Erregerwicklung und/oder von der Höhe des definierten Werts des Stroms oder der Span­ nung gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Beginn und Ende des Zeitintervalls in Abhängigkeit der Temperatur oder anderer, das Schaltverhalten des elektromagnetischen Schaltorgans beeinflussender Parameter gewählt wer­ den.
12. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der definierte Wert wenigstens bis zum Ende der Ankerbewegung in etwa konstant gehalten wird.
13. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Ansteuerung der Erregerwicklung des Ankers und mit einer Meßein­ richtung zur Erfassung der zeitlichen Änderungen des Stroms oder der Spannung an der Erregerwicklung, gekennzeichnet durch ein erstes Zeitglied, durch welches der an die Erregerwicklung (3) abgegebene Strom (i) oder die angelegte Spannung (u 1) erst nach einer Zeitspanne T o nach der Initiali­ sierung eines Schaltvorgangs einer Regelung unterwor­ fen wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekenn­ zeichnet durch eine Torschaltung (15, 17), die die Auswertung der zeitlichen Strom- oder Spannungsänderungen auf einen Zeitraum begrenzt, der kurz vor dem Ende der Ankerbewegung beginnt und kurz danach endet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, ge­ kennzeichnet durch einen der Meß­ einrichtung (23, 27) zur Erfassung der zeitlichen Än­ derungen des Stroms- oder Spannung nachgeordneten Schwellwertschalter (31), der so einstellbar ist, daß er auf die bei Beendigung der Ankerbewegung auf­ tretende Strom-/Spannungsänderung anspricht.
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