DE4013393A1 - Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventils - Google Patents
Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum
Überwachen der Funktion eines Elektromagnetventils. Insbeson
dere sollen das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltung
eingesetzt werden bei Anlagen zur Steuerung des Bremsdruckes in
Kraftfahrzeugen, also Schlupf-Regelanlagen, wie ABS- und
ASR-Anlagen.
In der Regel- und Steuerungstechnik werden Elektromagnetventile
als Stellglieder benutzt, um z. B. Drücke und Fluidströme oder
bei Hubmagneten Stellstrecken zu verändern.
Insbesondere bei bezüglich der Sicherheit kritischen Anlagen
ist es erforderlich, die Funktion von Elektromagnetventilen zu
überwachen.
Im Stand der Technik sind Verfahren und Schaltungen bekannt, um
die Funktion von Magnetventilen zu überprüfen.
So beschreibt die DE 38 07 278 A1 ein Verfahren zum Überpüfen
von Magnetventilen, bei dem eine Änderung des Erregerstromes
der Magnetspule in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt und unter
logarithmischer Verstärkung aufgezeichnet wird. Aufeinanderfol
gende Messungen dieses Signals werden in einem Computer gespei
chert und miteinander verglichen. Der Vergleich der aufeinander
folgenden Messungen erlaubt eine Bewertung des Funktionszustan
des des betreffenden Magnetventils. Für die Messung ist ein
Ferritring vorgesehen, der die Zuleitung zur Magnetspule um
schließt und mit zwei gegenläufig gewickelten Spulen versehen
ist. Diese Meßanordnung ist relativ aufwendig. Verfolgt wird
dabei das Einschaltsignal des Erregerstromes der Magnetspule,
um aus einem charakteristischen Verhalten des zeitlichen Ver
laufs des Stromes (bei dem ein Peak dann auftritt, wenn die
Nadel des Magnetventils sich zu bewegen beginnt) eine Aussage
über den Zustand des Ventils zu gewinnen.
Die WO 88/02 491 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich
tung zur Erfassung der Ansprechspannung eines Magnetventils,
bei dem bzw. der eine Prüfspannung an das Ventil angelegt wird
und diejenige Prüfspannung ermittelt wird, bei der das Ventil
anspricht.
Die DE 38 17 770 A1 beschreibt eine Einrichtung zur getakteten
Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils, bei der die zwei
Endlagen des beweglichen Ventilelementes dadurch erfaßt werden,
daß jeweils ein Einbruch des Erregungsstromes der Ventilspule
erfaßt wird. Ein solcher Einbruch des Erregungsstromes erfolgt
dann, wenn sich die Magnetnadel bewegt und in der Spule eine
Spannung induziert.
In der DE 37 30 523 A1 wird ein Verfahren zum Ermitteln der
Schaltzeiten von Magnetventilen beschrieben, bei dem mittels
einer externen Energiequelle eine Induktivitätsänderung zu den
Schaltzeiten des Magnetventils auf einen feststellbaren Signal
pegel angehoben wird. Dort ist in Fig. 2b eine Schaltungsanord
nung gezeigt, bei der eine Spannung über der Magnetspule abge
griffen wird. Der Stromfluß durch die Magnetspule wird durch
einen Transistor gesteuert. Diese Anordnung mit Abgriff einer
Spannung über der Magnetspule ist bezüglich der Aussagekraft
des Meßsignales verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Überwachen der Funktion eines Elektromag
netventils zu schaffen, das bzw. die in einfacher Weise eine
zuverlässige Aussage über die Funktion des Ventils ermöglicht.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentan
sprüchen beschrieben.
Die Erfindung unterscheidet zum einen sogenannte geschaltete
Endstufen, bei denen das Elektromagnetventil bei Betätigung
kontinuierlich mit konstanter Spannung bzw. Strom versorgt
wird, sowie sogenannte getaktete Endstufen, bei denen das
Elektromagnetventil gepulst mit Spannung bzw. Strom beschickt
wird. Getaktete Endstufen finden zunehmend insbesondere in der
ABS-Technik Verwendung, da sie einen geringeren Leistungsver
brauch aufweisen und schneller schaltbar sind. Für beide Arten
von Endstufen schlägt die Erfindung eine Lösung der vorstehend
genannten Aufgabe vor.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Schaltbild für eine Elektromagnet
ventilsteuerung für eine ABS-Anlage mit einer ge
schalteten Endstufe;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der über der Spule (L) des
Elektromagnetventils abgegriffenen Spannung sowie an
derer Signale;
Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein getaktet angesteuertes
Elektromagnetventil und
Fig. 4 den Verlauf des Stromes und der Spannung der Spule
des Ventils gemäß Fig. 3 sowie anderer Meßgrößen.
Zunächst wird anhand der Fig. 1 und 2 die Erfindung für ein
Elektromagnetventil mit geschalteter Endstufe beschrieben, d. h.
die Spule des Ventils wird nicht getaktet im Betriebszustand
gehalten sondern im Betriebszustand kontinuierlich mit konstan
tem Strom gespeist.
Die Schaltung gemäß Fig. 1 zeigt die Spule L eines Magnetven
tils, an die zur Betätigung des Ventils eine Betriebsspannung
UB angelegt wird. Die Betriebsspannung UB wirkt in bezug auf
ein Referenzpotential R. Der Stromfluß durch die Spule L wird
durch einen Transistor T (mit Widerstand R) gesteuert. Das
Steuersignal S für den Transistor T stammt von einer Ansteuer
schaltung C (sogenannter Controller). Wird der Transistor T
angesteuert, also durchgeschaltet, so fließt Strom vom Betriebs
potential UB durch die Spule L zu dem Referenzpotential R, z. B.
der sogenannten Masse. Am spulenseitigen Ausgang TL des Aus
gangstransistors T der Ansteuerschaltung C wird eine Spannung U
gegen Masse abgegriffen und in einen Verstärker V gegeben. Das
verstärkte Signal wird in eine Meß- und Auswerteschaltung M
eingegeben.
Fig. 2 zeigt über einer gemeinsamen Zeitskala den Verlauf der
am Punkt TL gemessenen Spannung an der Spule L (es kann auch
die Spannung direkt über der Spule abgegriffen werden) und wei
tere interessierende Meßsignale.
Zum Zeitpunkt t1 schaltet der Transistor T (Fig. 1) aufgrund
eines Signals S durch, d. h. die Ansteuerspannung Ua (Fig. 2)
des Ventils geht von 0 auf die Betriebsspannung UB. Da das Ven
til nicht getaktet betrieben wird, bleibt dieser Wert der An
steuerspannung Ua während der gesamten Betriebsphase des Ven
tils erhalten.
Aufgrund der Einschaltung von Spannung und Strom steigt die
über die Spule L fließende, dem Strom IS äquivalente Spannung
US von 0 gemäß Fig. 2 (oberes Teilbild) steil an. Es ist be
kannt, daß der Spannungsanstieg beim Einschalten des Ventils
ein Minimum Min aufweist aufgrund einer bei Betätigung des
Ventilstößels auftretenden elektromagnetischen Induktion.
Erfindungsgemäß wird nun gleich zu Beginn beim Einschalten des
Stromes durch die Spule L zum Zeitpunkt t1 eine Messung durch
geführt. Hierzu wird ermittelt, ob der Anstieg der Spannung US
in einer vorgegebenen Zeitspanne t1 bis t2 innerhalb eines
durch Soll-Werte liegenden Fensters liegt. Dabei wird die Zeit
spanne t1 bis t2 so kurz gewählt, daß sie bereits vor der me
chanischen Ventilbewegung abgeschlossen ist. Die Messung er
folgt also rein elektrisch. Die Meß- und Auswerteschaltung M
(Fig. 1) vergleicht den zum Zeitpunkt t2 erreichten Spannungs
wert US1 mit Soll-Werten. Fällt der gemessene Spannungswert US1
aus dem durch die Soll-Werte definierten Fenster, so zeigt dies
einen Funktionsmangel des Ventils an. Auf diese Weise ist be
reits zu Beginn einer Ventilbetätigung eine Erkennung von Kurz
schlüssen und auch von Induktivitäts- und Widerstandsänderungen
am Ventil möglich. Insbesondere Windungs-Kurzschlüsse in der
Spule sind so erkennbar. Die Zeitspanne t1 bis t2 ist in Fig. 2
unten dargestellt und das zugehörige Meßsignal Um1 deutet an,
daß in der Meß- und Auswerteschaltung M für diese Zeitspanne
die vorstehend beschriebene Überprüfung der erzielten Spulen
spannung US1 und deren Vergleich mit Soll-Werten durchgeführt
wird.
Zum Zeitpunkt t3 etwa erreicht das Elektromagnetventil seinen
mechanischen Schließzustand. Danach nähert sich die Spulenspan
nung US einem Endpegel UP (Fig. 2, oben). Für diesen Zustand
des Ventils erfolgt erfindungsgemäß eine weitere Funktionsüber
prüfung derart, daß ab dem Zeitpunkt t3 (zugehöriges Meß-
Steuersignal Um2) geprüft wird, ob die Spulenspannung US in
einem durch Grenzwerte US2, US3 vorgegebenen Fenster bleibt. Das
Fenster ist in Fig. 2 mit dem Pfeil Uf angedeutet. Fällt die
gemessene Spulespannung US aus dem Fenster Uf, so zeigt dies
ebenfalls einen Funktionsfehler des Ventils an.
Mit der betriebenen Schaltung können Kurzschlüsse des Elektro
magneten sowohl gegen die Betriebsspannung UB und gegen die
Masse leicht erkannt werden. Ebenfalls werden sofort Indukti
vitäts- und Widerstandsänderungen im Elektromagnetventil er
faßt. Das Fehlersignal wird bereit beim Ansteuern der Endstufe
gewonnen.
Die beiden vorstehend beschriebenen Funktionsmessungen, nämlich
die Messung des Anstiegsgradienten der Spulenspannung direkt
nach dem Einschalten des Spulenstromes (Zeitspanne t1 bis t2)
sowie die Messung des stationären Betriebszustandes des Ventils
(Fenster Uf) können bevorzugt gemeinsam zur Überwachung der
Funktion eines Elektromagnetventils eingesetzt werden.
Die Soll-Werte (Vergleichswerte für die Spulenspannung US) kön
nen fest vorgegeben oder bevorzugt variabel eingestellt werden,
insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Ventils und
unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebsspannungen UB.
Auf diese Weise können die Fenster variabel gestaltet werden,
um Einflüsse durch unterschiedliche Versorgungsspannungen oder
unterschiedliche Temperaturen des Elektromagneten auszuglei
chen. Die Soll-Werte (Fenster) können sehr klein gehalten wer
den, um eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen.
Ein Kurzschluß der Spule des Magneten oder von deren Zuleitung
hat zur Folge, daß die Spannung US über den Schwellenwert US3
ansteigt. Solange sich die Spannung US an der Spule nach dem
Zeitpunkt t3 im Fenster Uf befindet, liegt das Signal Um2 mit
erhöhtem Pegel an und zeigt, daß die Spule insoweit fehlerfrei
funktioniert. Sobald das Spannungssignal US aus dem Fenster Uf
fällt, fällt auch die Spannung Um2 auf 0 ab, was einen Fehler
anzeigt und worauf die Endstufe zum Schutz sofort abgeschaltet
werden kann. Entsprechend können auch Unterbrechungen der Spu
lenwickelung oder der Zuleitung festgestellt und ausgewertet
werden. Ebenso können Widerstandsänderungen (Erhöhung durch
Kontaktwiderstände oder Windungsschlüsse in der Spule) festge
stellt und ausgewertet werden.
Die Messung gleich zu Beginn nach Einschalten der Endstufe (im
Anschluß an den Zeitpunkt t1) ermöglicht eine Abschätzung der
Induktivität der Spule L und einen Vergleich mit zulässigen
Toleranzwerten.
Die Fig. 3 und 4 erläutern die erfindungsgemäße Lösung der ein
gangs gestellten Aufgabe für eine sogenannte getaktete Endstu
fe. Getaktete Endstufen zur Steuerung von Elektromagnetventilen
werden insbesondere bei ABS-Anlagen zunehmend eingesetzt, da
sie die Verlustleistung beim Ansteuern der Ventile senken (ge
ringere Wärmeentwicklung). Eine zusätzliche Verringerung der
Verlustleistung wird durch sogenannte "peak and hold"-Schaltun
gen erreicht, bei denen der Elektromagnet am Anfang einer Ven
tilbetätigung einen relativ hohen Anfangsstrom erhält, um das
Ventil zu einem schnellen Anziehen zu veranlassen, wonach dann
ein relativ geringer Haltestrom getaktet in der Haltephase
fließt.
In dem so erreichten stationären Haltezustand des Ventils mit
getakteter Spannungsversorgung der Ventilspule weisen auch der
durch die Spule fließende Strom Isp sowie die an der Spule ab
gegriffene Spannung Usp einen getakteten Verlauf auf, d. h.
bilden eine Impulsfolge, wobei der tiefer liegende Pegel der
Impulsfolge nicht gegen 0 geht. Der Erfindung liegt die Erkennt
nis zugrunde, daß das sogenannte Tastverhältnis (Puls-Pause-Ver
hältnis) des durch die Spule des Magneten fließenden Stromes
und/oder der am Ventil abgegriffenen Spannung eine Aussage über
die Funktionstüchtigkeit der elektrischen Komponenten des
Ventils ermöglicht.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild für eine Stromver
sorgung eines getaktet betriebenen Elektromagnetventils. Die
Spule des Ventils ist mit L bezeichnet. Eine Betriebsspannung
UB fließt durch die Spule L gegen Masse. Geschaltet wird die
Betriebsspannung UB mittels einer getakteten Endstufe E, die
durch ein Spannungssignal USt angesteuert wird, um das Ventil
zu betätigen. Die getaktete Endstufe E ist als solches bekannt;
sie erzeugt ein periodisches Takten der Versorgunsspannung an
der Spule L. Beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Schaltung handelt es sich um einen sogenannten "low side"-
Treiber, d. h. die Treiberschaltung für die Spannungsversorgung
der Spule L liegt an der entgegengesetzten Seite der Spule wie
die Betriebsspannung UB. Die Erfindung läßt sich auch auf so
genannte "high side"-Treiber übertragen.
Die Meßanordnung gemäß Fig. 3 weist einen Amplitudenbegrenzer
10, einen Tiefpaß 12 und eine Vergleichsschaltung 14 auf. Die
Vergleichsschaltung 14 gibt am Anschluß 16 ein Fehlersignal ab.
Fig. 4 zeigt über einer gemeinsamen Zeitachse die zeitlichen
Verläufe der Steuerspannung USt (siehe auch Fig. 3), des durch
die Spule L fließenden Stromes IS , der über der getakteten
Endstufe E abfallenden Spannung UEnd und der am Punkt TL abge
leiteten Spulenspannung USp.
Gemäß Fig. 4 wird das Steuersignal USt zum Zeitpunkt t1 einge
schaltet. Der Strom IS durch die Spule L steigt dann von 0 auf
einen relativ hohen Wert an ("peak and hold") . Unterhalb des
Spulenstromes ISp ist die Spannung UEnd der getakteten Endstufe
E über der Zeit aufgetragen. Sie bewirkt den gezeigten Verlauf
des Spulenstromes ISp und des Spulenstromes USp (Fig. 4). Nach
Überschreiten eines Maximums bei t2 erreichen Spulenstrom und
Spulenspannung stationäre Haltewerte mit getaktetem (gepulstem)
Betrieb. Beim Abschalten der Steuerspannung USp zum Zeitpunkt
t4 tritt im Verlauf der Spannung UEnd der Endstufe E ein Maxi
mum X auf, das durch den Amplitudenbegrenzer 10 weggefiltert
wird. Nach Passieren des Tiefpasses 12 wird dann das Spannungs
signal USp in der Meß- und Vergleichschaltung 14 ausgewertet.
Hierzu wird das sogenannte Tastverhältnis der getakteten Spu
lenspannung überwacht, d. h. das Verhältnis von Pulsdauer und
Pausendauer. Liegt diese Verhältnis außerhalb vorgegebener
Schwellenwerte, so zeigt dies einen Funktionsfehler des Ventils
an.
Gemäß der in Fig. 4 gezeigten bevorzugten Ausgestaltung wird
zur Überwachung des Tastverhältnisses ein Signal USp erzeugt,
das nach Amplitudenbegrenzung und Invertierung der Spannung
gewonnen wird und den in Fig. 4 gezeigten Verlauf aufweist. Ein
Meßfenster Uf wird durch Spannungs-Schwellenwerte UF1 und UF2
gebildet. Der Verlauf der Spannung USp liegt zwischen den
Schwellenwerten UF1, UF2 wenn die Stromversorgung des Ventils
keinen Fehler aufweist.
Das anhand der Fig. 3 und 4 beschriebene Meßverfahren ermög
licht die Erkennung folgender Fehler: (a) Kurzschluß der Spule
oder deren Zuleitung bei eingeschalteter Endstufe; (b) Leerlauf
der Endstufe, d. h. Unterbrechung der Spulenwicklung oder der
Zuleitung; (c) unzulässiger Spulenwiderstand und unzulässige
Induktivität der eingeschalteten Endstufe; und (d) Kurzschlüsse
gegen die Versorgungsspannung UB oder gegen Masse.
Claims (7)
1. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnet
ventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes
einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemes
sen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten
des eine Ventilbetätigung einleitenden Stromes durch die Spule
(L) der Anstieg der Spannung und/oder des Stromes der Spule (L)
in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und mit einem Soll-Wert
(Us1) verglichen wird.
2. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Elektromagnet
ventils, bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes
einer Spule (L) des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemes
sen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene
Zeitspanne (t1-t3) nach dem Einschalten des eine Ventilbetä
tigung einleitenden Stromes Schwankungen der Spulenspannung
(Us) und/oder des Spulenstromes gemessen und mit vorgegebenen
Soll-Werten (Us2, Us3) verglichen werden.
3. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines
Elektromagnetventils mit einer Einrichtung zum Messen des Ver
laufs der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des
Ventils in Abhängigkeit von der Zeit,
gekennzeichnet durch einen Komparator (M) zum
Vergleichen des beim Einschalten des eine Ventilbetätigung ein
leitenden Stromes durch die Spule (L) in einer vorgegebenen
Zeitspanne (t1-t2) erreichten Spannungs- und/oder Stromwertes
mit einem Soll-Wert.
4. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines
Elektromagnetventils mit einer Einrichtung zum Messen des Ver
laufs der Spannung und/oder des Stromes einer Spule (L) des
Ventils in Abhängigkeit von der Zeit,
gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrich
tung (M) zum Vergleichen von Schwankungen der Spulenspannung
und/oder des Spulenstromes mit vorgegebenen Soll-Werten (Us2,
Us3) nach Erreichen eines Spannungs- bzw. Strompegels (Up), der
einer Betätigungsstellung des Ventils entspricht.
5. Verfahren zum Überwachen der Funktions eines mit einer
getakteten Endstufe (E) gesteuerten Elektromagnetventils, bei
dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer Spule
des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhält
nis der getakteten Spannung bzw. des getakteten Stromes der
Spule gemessen und mit einem Soll-Wert verglichen wird.
6. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Funktion eines mit
einer getakteten Endstufe (E) gesteuerten Elektromagnetventils,
bei dem der Verlauf der Spannung und/oder des Stromes einer
Spule des Ventils in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Mes
sen des Tastverhältnisses der getakteten Spannung bzw. des
Stromes der Spule (L) und eine Vergleichsschaltung (14) zum
Vergleichen des Tastverhältnisses mit einem Soll-Wert.
7. Verfahren bzw. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert in
Abhängigkeit von der augenblicklichen Versorgungsspannung (Ub)
und/oder der Temperatur des Ventils eingestellt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4013393A DE4013393A1 (de) | 1990-04-26 | 1990-04-26 | Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventils |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4013393A DE4013393A1 (de) | 1990-04-26 | 1990-04-26 | Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventils |
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Family
ID=6405184
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4013393A Granted DE4013393A1 (de) | 1990-04-26 | 1990-04-26 | Verfahren zum ueberwachen der funktion eines elektromagnetventils |
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