DE4140586C2 - Verfahren und Steuereinrichtung zur Steuerung des Stroms durch eine Magnetspule - Google Patents
Verfahren und Steuereinrichtung zur Steuerung des Stroms durch eine MagnetspuleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung
des Stroms durch eine Magnetspule, insbesondere derjenigen
eines Magnetventils, bei dem der Strom durch die Magnetspule
anhand der an einem mit der Magnetspule in Reihe geschalteten
Meßwiderstand abfallenden Spannung gemessen und die
Magnetspule über einen Leistungsschalter alternierend ein- und
ausgeschaltet wird, wobei die ausgeschaltete Magnetspule
kurzgeschlossen wird, und eine Steuereinrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Beim Betätigen eines
Ventilkörpers mit Hilfe einer Magnetspule ist anfänglich ein
relativ großer Strom notwendig, um die Lage des Magnetkörpers
zu verändern. Anschließend reicht zum Beibehalten der
veränderten Lage ein verhältnismäßig geringer Haltestrom aus.
Dieser beträgt typischerweise 25% des Stroms, der zum
anfänglichen Betätigen des Ventilkörpers notwendig ist. Die
Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren zur
Steuerung dieses Haltestroms. Würde auf ein Herabsetzen des
Stroms durch die Magnetspule nach dem anfänglichen Betätigen
des Ventilkörpers verzichtet, wäre das Resultat in aller
Regel eine Überhitzung der Magnetspule. Der ohmsche
Widerstand einer typischen Magnetspule beträgt nur einige
Ohm, während die typischen Versorgungsspannungen 12 oder 24
Volt sind. Das Herunterfahren des Stroms nach dem
anfänglichen Betätigen des Ventilkörpers bis auf den
Haltestrom und das Konstanthalten des Haltestroms sind
demnach die wichtigsten Aufgaben einer Steuerung des Stroms
durch eine Magnetspule.
Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist aus der
DE-OS 35 07 130 bekannt. Hierbei wird der Strom durch die
Magnetspule kontinuierlich gemessen und mit einem
vorgegebenen Referenzwert verglichen. Ist der gemessene Strom
kleiner als der Referenzwert, wird die Magnetspule
eingeschaltet oder jedenfalls nicht ausgeschaltet. Ist der
gemessene Strom größer als der Referenzwert, wird die Spule
ausgeschaltet, bzw. jedenfalls nicht eingeschaltet. Als
problematisch stellt sich heraus, daß bei dem gewünschten
Haltestrom durch die Magnetspule nur eine geringe Spannung an
dem Meßwiderstand abfällt. Diese Spannung muß aufwendig
verstärkt werden, damit ein Vergleich mit dem Referenzwert
überhaupt möglich ist. Denkbar wäre natürlich auch eine
Erhöhung des Widerstandswertes des Meßwiderstands, wodurch
jedoch in unerwünschter Weise die Verlustleistung gesteigert
würde. Nachteilig ist bei dem bekannten Verfahren weiterhin,
daß die Schaltfrequenz, mit der die Magnetspule ein- und
ausgeschaltet wird, sehr variabel ist. Aus diesem Grund sind
in der Umgebung befindliche elektronische Vorrichtungen bei
der Durchführung des Verfahrens von den auftretenden
elektromagnetischen Streufeldern kaum abzuschirmen. Die
Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Streufelder
läßt sich dadurch begrenzen, daß die Magnetspulen jeweils für
eine Mindestzeit ein- oder ausgeschaltet wird. Diese
Mindestzeit stellt dann die Untergrenze für die Periodendauer
der abgestrahlten elektromagnetischen Streufelder dar. Die
wünschenswerte Vorgabe eines digitalen Referenzsignals für
den Referenzwert ist nur mit großem Aufwand möglich, da, wie
bereits angesprochen, die für den Strom gemessene Spannung
nur gering ist. Sie reicht für eine in Echtzeit durchführbare
Analog-Digital-Umwandlung in aller Regel nicht aus.
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist eine
Steuereinrichtung mit einem elektronischen Leistungsschalter,
einem mit der Magnetspule in Reihe geschalteten
Meßwiderstand, einer ersten Meßvorrichtung für die über dem
Meßwiderstand abfallende Spannung und einer parallel zur
Magnetspule geschalteten Diode vorgesehen. Die Diode
gewährleistet ein Anhalten des Stroms durch die Magnetspule
auch nach deren Ausschalten aufgrund der Lenz′schen Regel. Um
den Strom durch die Magnetspule kontinuierlich messen zu
können, ist die Diode auch parallel zu dem Meßwiderstand
angeordnet. Sofern das bekannte Verfahren so durchgeführt
wird, daß das Ausschalten der Magnetspulen jeweils für einen
festen, vorgegebenen Zeitraum erfolgt, reicht es auch aus,
die Diode ausschließlich parallel zur Magnetspule zu
schalten. Für die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung
ist ein Verstärker vorgesehen, dessen Ausgangssignal in einem
Eingang eines Komparators einmündet. Der zweite Eingang des
Komparators wird mit einem, von einer analogen
Stellvorrichtung stammenden Referenzsignal beaufschlagt. In
Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators wird der
elektronische Leistungsschalter geschaltet. Nachteilig bei
der bekannten Vorrichtung macht sich insbesondere die
Abhängigkeit der analogen Stellvorrichtung für den
Referenzwert von ihrem Alter, der vorliegenden Temperatur und
Feuchtigkeit bemerkbar. Das bekannte Verfahren und die
bekannte Vorrichtung zeichnen sich jedoch durch eine relativ
geringe Verlustleistung aus.
Aus der DE-OS 37 33 091 ist eine Weiterentwicklung der zuvor
beschriebenen Steuereinrichtung bekannt. Dort ist neben der
ersten Meßeinrichtung für die über dem Meßwiderstand
einfallende Spannung eine zweite Meßeinrichtung für eine
Spannung vorgesehen. Diese Spannung ist abhängig von der über
der Magnetspule abfallenden Spannung. Auf diese Weise sind
die Stellungen eines von der Magnetspule betätigten
Magnetventils, die sich auf die an der Magnetspule abfallende
Spannung auswirken, durch Beobachtung der von der zweiten
Meßeinrichtung erfaßten Spannung nachvollziehbar. Ein Wechsel
der Stellung des Magnetventils macht sich in Form von
Sprüngen und Knicken der erfaßten Spannung bemerkbar.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Steuerung des
Stroms durch eine Magnetspule wird ebenfalls der durch die
Magnetspule fließende Strom anhand der an einem mit der
Magnetspule in Reihe geschalteten Meßwiderstand abfallenden
Spannung gemessen. Diese Spannung wird verstärkt und mit
einem von einer analogen Stellvorrichtung stammenden
Referenzsignal verglichen. In Abhängigkeit des Unterschiedes
zwischen dem Ist- und dem Sollwert wird ein mit der
Magnetspule in Reihe geschalteter Transistor angesteuert.
Weicht der tatsächlich durch die Magnetspule fließende Strom
sehr stark nach unten von dem Referenzwert ab, ist der
resultierende Widerstand des Transistors nur sehr gering.
Erreicht der tatsächliche Strom durch die Magnetspule den
gewünschten Wert oder überschreitet er ihn gar, wird der
Widerstand des Transistors entsprechend hoch gesetzt. Dieses
bekannte Verfahren ist offensichtlich eine einfache
Differential-Steuerung. Mit Differential-Steuerungen ist
bekanntlich eine große Gefahr von Oszillationen verbunden,
die die Steuerung außer Gefecht setzen können. Um dieser
Gefahr aus dem Wege zu gehen, ist eine genaue Abstimmung der
einzelnen Komponenten der entsprechenden Steuereinrichtung
auf die Magnetspule notwendig. Einen ausgeprägten Nachteil
stellt weiterhin die hohe, über dem Transistor abfallende
Verlustleistung der Steuereinrichtung dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Steuerung des Stroms durch eine Magnetspule aufzuzeigen, das
mit einem geringen apparativen Aufwand durchführbar, für
Ströme unterschiedlicher Größe geeignet und an Magnetspulen
mit unterschiedlichen ohmschen Widerständen und
Induktivitäten leicht anpaßbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die über der
Magnetspule und dem Leistungsschalter abfallende Spannung
kontinuierlich gemessen wird, daß der Strom zu einem Zeitpunkt bei
eingeschalteter Magnetspule gemessen wird, nachdem die
Magnetspule für einen Zeitraum von 5 τ durchgehend
eingeschaltet war, wobei der Strom durch die Magnetspule
einem Zeitgesetz
gehorcht, wobei sich τ in bekannter Weise aus dem
ohmschen Widerstand und der Induktivität
der Magnetspule ergibt, und daß der Strom
und die gleichzeitig gemessene Spannung zur Bestimmung des
Spulenwiderstands herangezogen werden, und daß bei fester
Schaltfrequenz die Magnetspule in Abhängigkeit von der
aktuellen Spannung und dem zuletzt bestimmten
Spulenwiderstand für unterschiedlich lange Zeiten
eingeschaltet wird. Bei dem neuen Verfahren wird der Strom
also anhand der über dem Leistungsschalter und der
Magnetspule abfallenden Spannung gesteuert. Dies ist möglich,
da zuvor der Widerstand der Spulen bestimmt wurde. Hierbei
war die Spule für einen Zeitraum 5 τ durchgehend
eingeschaltet, so daß mit relativ geringem apparativen
Aufwand eine genaue Strommessung erfolgen konnte. Nach einer
Zeit von 5 τ hat der Strom durch die Magnetspule einen Wert
erreicht, der nahezu ausschl. vom ohmschen Widerstand der
Magnetspule abhängig ist. Wird der Widerstand der Magnetspule
zu einem früheren Zeitpunkt anhand der Strommessung bestimmt,
besteht die Gefahr, daß sich die Induktivität der Magnetspule
in unerwünschten Umfang bemerkbar macht. Die über der Spule
und dem Leistungsschalter abfallende Spannung ist stets so
groß, daß sie problemlos erfaßbar ist. Die vorgegebene
Schaltfrequenz, mit der die Spule ein- und ausgeschaltet wird
vereinfacht das Abschirmen auftretender elektromagnetischer
Streufelder. In Abhängigkeit von dem Spulenwiderstand und der
über der Magnetspule abfallenden Spannung wird die
Magnetspule für unterschiedlich lange Zeiten eingeschaltet,
wobei die Zeiten genau so ausgewählt werden, daß im Mittel
über der Zeit sich der Istwert und der gewünschte Sollwert
des Stroms entsprechen. Eine direkte Erfolgskontrolle findet
nicht statt und ist nicht notwendig, da bei der Durchführung
des Verfahrens kein Abweichen des Istwerts von dem Sollwert
auftreten kann. Die Abwesenheit einer geschlossenen
Steuerschleife macht sich insofern positiv bemerkbar, als daß
Oszillationen des Istwertes von vornherein ausgeschlossen
sind.
Der Meßwiderstand kann, wenn der Strom nicht gemessen wird,
kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise läßt sich die mit dem
Meßwiderstand verbundene Verlustleistung auf die Zeiten
begrenzen, in denen der Meßwiderstand tatsachlich zur
Strommessung benötigt wird. Außerhalb der Strommessungen wird
ausschließlich die tatsächlich benötigte Leistung verbraucht.
Zum Kurzschließen der ausgeschalteten Magnetspule kann eine
Diode ständig parallel geschaltet sein. Bei eingeschalteter
Magnetspule ist die Diode in Sperrichtung mit Spannung
beaufschlagt und wirkt wie ein unendlicher Widerstand.
Zum schnellen Herunterfahren des Stroms durch die Magnetspule
kann die Magnetspule ausgeschaltet und nicht kurzgeschlossen
werden. Unter diesen Randbedingungen fällt der durch die
Magnetspule fließende Strom schnellstmöglich ab.
Bei einer Steuervorrichtung zur Durchführung des neuen
Verfahrens mit einem elektronischen Leistungsschalter, einem
mit der Magnetspule in Reihe geschalteten Meßwiderstand,
einer ersten Meßvorrichtung für die über dem Meßwiderstand
abfallende Spannung und einer parallel zur Magnetspule
geschalteten Diode, besteht die erfinderische Lösung darin,
daß die erste Meßeinrichtung (5) die über dem Meßwiderstand
(4) herabfallende Spannung mißt, nachdem die Magnetspule (2)
für einen Zeitraum von 5 τ durchgehend eingeschaltet war,
wobei der Strom durch die Magnetspule einem Zeitgesetz
gehorcht, wobei sich τ in bekannter Weise aus
dem ohmschen Widerstand und der Induktivität der Magnetspule
(2) ergibt, und daß eine zweite Meßeinrichtung für die über
der Magnetspule und dem elektronischen Leistungsschalter
abfallende Spannung vorgesehen ist und daß ein
Pulsbreitenmodulator vorgesehen ist, der die Pulsbreite tein
einer den Leistungsschalter ansteuernden Schwindung mit
fester Schaltfrequenz zur Steuerung des Stroms durch die
Magnetspule einstellt. Die zweite Meßeinrichtung kann mit
geringem Aufwand bereitgestellt werden, da die zu messende
Spannung relativ groß ist. Aber auch die erste Meßeinrichtung
für die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung kann bei
der neuen Vorrichtung einfacher als im Stand der Technik
gestaltet sein. Bei der neuen Vorrichtung wird die über dem
Meßwiderstand abfallende Spannung nur bei vollständig
eingeschalteter Spule gemessen, also dann, wenn sie möglichst
groß ist. Der Pulsbreiteneinstellung durch den
Pulsbreitenmodulator liegt die Formel
Hierbei bedeutet IMittel der im Mittel durch die Spule
fließende Strom, der sich aus der über der Magnetspule
abfallenden Spannung UMS, dem ohmschen Widerstand der
Magnetspule RMS, der Zeit tein, für die die Magnetspule 2
jeweils angeschaltet wird, und der Periodendauer der
Schaltfrequenz tPD problemlos auf den Referenzwert für den
Strom IR festlegen läßt. Der Pulsbreitenmodulator variiert
hierbei die Größe tein, um den Istwert IMittel an den
Sollwert IR anzupassen.
Es kann ein Schalter vorgesehen sein, mit dem der
Meßwiderstand überbrückbar ist. Dies wirkt sich so aus, daß
auch ein relativ großer Meßwiderstand Verwendung finden kann,
ohne eine übermäßige Verlustleistung der Steuervorrichtung
hervorzurufen. Hierdurch wird der Aufbau der ersten
Meßeinrichtung weiter erleichtert.
Die Meßeinrichtung kann ausgangsseitig mit einem Analog-
Digital-Wandler verbunden sein, wobei eine digitale
Stellvorrichtung für einen Referenzwert vorgesehen ist. Bei
der neuen Steuereinrichtung sind die von den Meßeinrichtungen
abgegriffenen Spannungen so groß, daß eine Analog-Digital-
Umwandlung auch in Echtzeit problemlos möglich ist.
Vorteilhafterweise läßt sich so der Referenzwert mit einer
digitalen Stelleinrichtung vorgeben.
Zwischen dem Analog-Digital-Wandler und den Meßeinrichtungen
kann ein Multiplexer vorgesehen sein. Auf diese Weise reicht
es aus, nur einen Analog-Digital-Wandler für beide
Meßeinrichtungen vorzusehen. Der Multiplexer kann hierbei
gemeinsam mit dem den Meßwiderstand überbrückenden Schalter
angesteuert werden, so daß der Meßwiderstand immer dann
kurzgeschlossen ist, wenn von der ersten Meßeinrichtung kein
Gebrauch gemacht wird.
Die Eignung des neuen Verfahrens und der neuen
Steuereinrichtung für Ströme unterschiedlicher Größe und
Magnetspulen mit unterschiedlichen Widerständen und
Induktivitäten resultiert im wesentlichen daraus, daß mit
beiden Meßeinrichtungen eine Vielzahl von Informationen über
die Spule gewonnen werden kann und die Steuerung gleichzeitig
keine Neigung zu Oszillationen aufweist. Die Vielzahl der
gewonnenen Informationen erlaubt es einer mit den
Meßeinrichtungen verbundenen elektronischen Steuereinheit
sogar, anhand eines Registers verschiedene Magnetspulen zu
erkennen. Dies gilt insbesondere, wenn zur Erkennung
beispielsweise auch der Verlauf des Stroms über der Zeit
herangezogen wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei
Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Es
zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der
Steuereinrichtung,
Fig. 2 ein Schaltsignal, wie es bei einer
Steuereinrichtung gemäß Fig. 1 auftritt,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Steuereinrichtung
und
Fig. 4 einen Vergleich zwischen einem Schaltsignal und dem
resultierenden Spulenstrom.
Die in Fig. 1 dargestellte Steuereinrichtung 1 für eine
Magnetspule 2 weist einen elektronischen Leistungsschalter 3,
einen mit der Magnetspule in Reihe geschalteten Meßwiderstand
4, eine erste Meßeinrichtung 5 für die über dem Meßwiderstand
4 abfallende Spannung, eine zweite Meßeinrichtung 6 für die
über der Magnetspule 2 und dem elektronischen
Leistungsschalter 3 abfallende Spannung und eine parallel zur
Magnetspule 2 geschaltete Diode 7 auf. Ferner ist eine
digitale Stelleinrichtung 8 für einen Referenzwert und eine
Steuereinheit 9 vorgesehen. Bei der Magnetspule 2 kann es
sich beispielsweise um die Magnetspule eines Magnetventils
handeln. In diesem Fall wird mit Hilfe der Magnetspule ein
Ventilkörper betätigt. Zur Versorgung der Magnetspule 2 ist
eine Spannungsquelle 10 vorgesehen. Bei geschlossenem
Leistungsschalter 8 fällt die gesamte von der Spannungsquelle
10 bereitgestellte Spannung über der Magnetspule 2 und dem
Meßwiderstand 4 sowie natürlich auch dem Leistungsschalter 3
ab. Der Widerstand des geschlossenen Leistungsschalters 3 ist
nur gering, was, wenn auch in geringerem Maße, auch für den
Meßwiderstand 4 gilt. Im wesentlichen fällt also die von der
Spannungsquelle 10 bereitgestellte Spannung über der
Magnetspule 2 ab. Bei geschlossenem Leistungsschalter 3 geht
dessen Widerstand gegen unendlich, so daß die gesamte von der
Spannungsquelle 10 bereitgestellte Spannung an dem
Leistungsschalter 3 abfällt. Die erste Meßeinrichtung 5
registriert die über dem Meßwiderstand 4 abfallende Spannung.
Diese ist ein Maß für den durch den Meßwiderstand 4 und die
mit ihm in Reihe geschaltete Magnetspule 2 fließenden Strom.
Um die Verlustleistung zu begrenzen, ist der Widerstand des
Meßwiderstands 4, wie schon angesprochen, nur gering. Hieraus
resultiert, daß auch die von der ersten Meßeinrichtung
registrierte Spannung nur sehr gering ist. Aus diesem Grund
weist die erste Meßeinrichtung einen Verstärker 11 auf, für
dessen Ausgangssignal eine Signalleitung zur Steuereinheit 9
vorgesehen ist. Die von der zweiten Meßeinrichtung 6 zu
registrierende Spannung ist deutlich größer. Sie macht die
Differenz zwischen der über dem Meßwiderstand abfallenden
Spannung und der von der Spannungsquelle 10 bereitgestellten
Spannung aus. Dementsprechend könnte die zweite
Meßeinrichtung 6 auch dazu vorgesehen sein, die von der
Spannungsquelle 10 bereitgestellte Spannung zu messen. In
diesem Fall wäre von dem gemessenen Wert, die über dem
Meßwiderstand 4 abfallende Spannung abzuziehen. Hier weist
auch die zweite Meßeinrichtung einen Verstärker 12 auf.
Dieser ist jedoch aus den oben erwähnten Gründen nicht
unbedingt notwendig. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12
wird über eine Signalleitung der Steuereinheit 9 zugeführt.
Neben den Ausgangssignalen der beiden Meßeinrichtungen 5 und
6 wird der Steuereinheit 9 durch die Stelleinrichtung 8 der
Referenzwert zugeführt. Aufgrund dieser drei Werte schaltet
die Steuereinheit 9 über die Steuerleitung 13 den
Leistungsschalter 3.
Das neue Verfahren zur Steuerung des Stroms durch die
Magnetspule 2 kann nun wie folgt durchgeführt werden. Bei
geschlossenem Leistungsschalter 3 wird der ohmsche Widerstand
der Magnetspule 2 bestimmt. Der Strom durch die Magnetspule 2
wird anhand der über dem Meßwiderstand 4 abfallenden Spannung
ermittelt, an der Magnetspule abfallende Spannung wird die
tatsächlich über der Magnetspule und dem Leistungsschalter 3
abfallende Spannung gesetzt. Im folgenden wird von der
Steuereinrichtung 9 die Magnetspule 2 für unterschiedlich
lange Zeiten eingeschaltet, so daß der im Mittel über der
Zeit durch die Magnetspule fließende Strom genau dem von der
Stelleinrichtung 8 vorgegebenen Referenzwert entspricht.
Hierbei wird die folgende Formel zugrundegelegt:
Hierbei bedeutet IMittel der im Mittel durch die Spule
fließende Strom, der sich aus der über der Magnetspule
abfallenden Spannung UMS, dem ohmschen Widerstand der
Magnetspule RMS, der Zeit tein, für die die Magnetspule 2
jeweils angeschaltet wird, und der Periodendauer der
Schaltfrequenz tPD problemlos auf den Referenzwert für den
Strom IR festlegen läßt. Die Steuereinheit 9 variiert hierbei
die Größe t ein um den Istwert IMittel an den Sollwert IR
anzupassen.
Das von der Steuereinheit 9 über die Steuerleitung 13 zum
Leistungsschalter 3 gegebene Schaltsignal hat eine Form, wie
sie in Fig. 2 wiedergegeben ist. Das logische Schaltsignal
14 kann entweder den Wert 0 oder den Wert 1 annehmen, wobei
der Wert 0 einem offenen Leistungsschalter 3 und der Wert 1
einem geschlossenen Leistungsschalter 3 entspricht. Im
Abstand der Periodendauer tPD 15 wird die Magnetspule 2
eingeschaltet, d. h., der Wert des Schaltsignals von 0 auf 1
gesetzt. Im Anschluß daran bleibt die Magnetspule 2 für
unterschiedlich lange Zeiten t ein 16 eingeschaltet, d. h.,
der Wert des Schaltsignals 14 wird auf 1 gehalten. Im
Anschluß daran wird der Wert des Schaltsignals 14 zurück auf
0 gesetzt und damit die Magnetspule 2 ausgeschaltet. Die
Schaltfrequenz des Schaltsignals beträgt typischerweise
einige kHz. Dementsprechend weist die Periodendauer tPD 15
eine Dauer von weniger als 1 msec auf. Der Strom durch eine
typische Magnetspule 2 gehorcht bei konstanter angelegter
Spannung UMS einem Zeitgesetz
wobei τ
größer als 1 msec ist. Dementsprechend ist der gesteuerte
Strom durch die Magnetspule trotz des alternierenden Ein- und
Ausschaltens nahezu konstant bzw. weist nur eine geringe
Welligkeit auf. Die Welligkeit läßt sich in jedem Fall durch
ein Erhöhen der Schaltfrequenz weiter begrenzen.
Die Steuereinrichtung 1 gemäß Fig. 3 entspricht im
wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Einige
Bauteile sind jedoch trotz gleicher Funktionsweise etwas
anders ausgeführt. Ferner ist die Steuereinrichtung 1 in
Fig. 3 um einige Details ergänzt. So sind zusätzlich eine
Überspannungssicherung 17, zwei Kurzschlußschalter 18 und 19
und ein Multiplexer 20 vorgesehen. Außerdem sind als
Bestandteile der Steuereinheit 9 ein Analog-Digital-Wandler
21, ein Frequenzteiler 22 und ein Pulsbreitenmodulator 23
dargestellt. Die Überspannungssicherung 17 verhindert die
Zerstörung des Leistungsschalters 3 durch eine zu hohe
anliegende Spannung, wie sie beispielsweise durch die
Abschaltung des Stromes in der Magnetspule 2 hervorgerufen
wird. Der Kurzschlußschalter 18, der mit der Diode 7 in Reihe
geschaltet ist, ist normalerweise geschlossen, um bei
geöffnetem Leistungsschalter 3 den Strom durch die
Magnetspule 2 weitgehend aufrechtzuerhalten. Zum schnellen
Herunterfahren des Stroms durch die Magnetspule 2 wird er
jedoch von der Steuereinheit 9 geöffnet. Der
Kurzschlußschalter 19 dient zum Überbrücken des
Meßwiderstands 4 in den Zeiten, in denen keine Strommessung
anhand der über dem Meßwiderstand 4 abfallenden Spannung
erfolgt. Hierdurch läßt sich die Verlustleistung der
Steuereinrichtung 1 minimieren. Der Kurzschlußschalter 19 muß
bereits vor der eigentlichen Strommessung in einer 5 τ langen
Anlaufphase geöffnet sein, da anderenfalls mit seinem Öffnen
die an der Magnetspule anliegende Spannung schlagartig
heruntergesetzt wird. Unter diesen Umständen ist keine
Messung des zeitunabhängigen ohmschen Widerstandswerts der
Magnetspule 2 möglich. Der Multiplexer 20 dient zum
wechselweisen Einlesen der Ausgangssignale der ersten
Meßeinrichtung 5 und der zweiten Meßeinrichtung 6 in den
Analog-Digital-Wandler 21. Der Multiplexer 20 ersetzt damit
einen zweiten Analog-Digital-Wandler 21 und einen
zusätzlichen Eingang bei der Steuereinheit 9. Die
Steuereinheit 9 schaltet den Kurzschlußschalter 19 und den
Multiplexer 20, ebenso wie den Kurzschlußschalter 18 mit
logischen Signalen. Hierbei werden der Kurzschlußschalter 19
und der Multiplexer 20 in strenger Abhängigkeit voneinander
betätigt. Bei geschlossenem Kurzschlußschalter 19 verbindet
der Multiplexer 20 den Analog-Digital-Wandler 21
ausschließlich mit der zweiten Meßeinrichtung 6. Diese
Situation ist in Fig. 3 dargestellt. Sie dient
ausschließlich zum Messen der über dem Leistungsschalter 3
und der Magnetspule 2 abfallenden bzw. der von der
Spannungsquelle 10 bereitgestellten Spannung. Bei geöffnetem
Kurzschlußschalter 19 wird zunächst ebenfalls das
Ausgangssignal der zweiten Meßeinrichtung 6 in den Eingang
des Analog-Digital-Wandlers 21 eingespeist. Sobald die
Wartezeit von 5 τ überschritten wird, verbindet der
Multiplexer 20 den Analog-Digital-Wandler 21 mit der ersten
Meßeinrichtung 5, so daß die Steuereinheit 9 den
zeitunabhängigen Endwert des Stroms durch die Magnetspule 2
einlesen kann. Bei geschlossenem Kurzschlußschalter 19 werden
von der Steuereinheit 9 also die Werte registriert, die zur
Bestimmung des ohmschen Widerstands der Magnetspule 2
benötigt werden.
Während die erste Meßeinrichtung 5 hier mit der ersten
Meßeinrichtung 5 gemäß Fig. 1 identisch übereinstimmt, ist
die zweite Meßeinrichtung 6 etwas variiert ausgebildet. So
wurde auf den Verstärker 12 verzichtet, da dieser in aller
Regel nicht notwendig ist. Vielmehr ist ein aus zwei
Widerständen 24 und 25 zusammengesetzter Spannungsteiler
vorgesehen, so daß nur ein Teil der tatsächlich vorhandenen
Spannung als Ausgangssignal der zweiten Meßeinrichtung 6
anfällt. Durch eine Regelbarkeit des Widerstands 25 ist eine
Kalibrierung zwischen der tatsächlichen Spannung und dem
Ausgangssignal der ersten Meßeinrichtung 5 möglich. Daß die
zweite Meßeinrichtung 6 gemäß Fig. 3 die Spannung
registriert, die über der Magnetspule 2, dem
Leistungsschalter 3 und dem Meßwiderstand 4 abfällt, ist bei
geschlossenem Kurzschlußschalter 19 gänzlich ohne Bedeutung
und bei geöffnetem Kurzschlußschalter 19 problemlos zu
berücksichtigen. Hierfür reicht eine Kenntnis des ohmschen
Widerstands des Meßwiderstands 4, die ebenso für die
Bestimmung des Stroms anhand der über dem Meßwiderstand 4
abfallenden Spannung von Bedeutung ist, aus.
Der Frequenzteiler 22 der Steuereinheit 9 wandelt die von
einem Schwingungsgeber stammende Schwingung konstanter
Frequenz in eine Schwingung mit der gewünschten
Schaltfrequenz um. Der Pulsbreitenmodulator 23 stellt die
Pulsbreite tein bei der von dem Frequenzteiler
bereitgestellten Schwingung mit der Schaltfrequenz ein. Dies
erfolgt gemäß der oben wiedergegebenen Formel, um den von der
Stelleinrichtung 8 vorgegebenen Referenzwert für den durch
die Magnetspule 2 fließenden Strom zu erreichen.
In Fig. 4 ist der Verlauf des Stroms I durch die Magnetspule
2 über der Zeit t in Abhängigkeit von dem Schaltsignal 14
dargestellt. Hierbei entspricht das Schaltsignal 14 der
gepulsten Betätigung eines Magnetventils, um einen mittleren
Ölfluß über der Zeit zu erzielen. Zu Beginn jedes Pulses 26
wird der Strom durch die Magnetspule 2 in möglichst kurzer
Zeit hochgefahren, um den Ventilkörper zu betätigen.
Anschließend wird der Strom auf einen Wert heruntergesetzt,
der ausreicht, den Ventilkörper in der nun erreichten
Position festzuhalten. Am Ende jedes Pulses 26 wird der Strom
durch die Magnetspule 2 möglichst schnell auf 0 herabgesetzt,
um den Ventilkörper freizugeben. Der Ventilkörper kehrt dann
automatisch in seine ursprüngliche Position zurück. Das neue
Verfahren zur Steuerung des Stroms durch die Magnetspule 2
findet im wesentlichen seine Anwendung, wenn der Ventilkörper
mit einem relativ geringen Strom durch die Magnetspule 2 in
seiner veränderten Position gehalten wird. Sofern die
Anfangsphase jedes Pulses 26 ausreicht, um einen stationären
Strom durch die Magnetspule 2 zu erzielen, kann während
dieser die Bestimmung des ohmschen Widerstands der
Magnetspule 2 erfolgen. Bei einem Stromverlauf gemäß Fig. 4
wäre dies möglich. Die Abfolge der Pulse 26 weist
typischerweise eine Frequenz im Bereich einiger 10 Hz auf.
Der Mengenfluß durch das Magnetventil wird hierbei ebenfalls
über die Breite der Pulse bei fester Frequenz gesteuert. Soll
der maximale Mengendurchtritt durch das Magnetventil genutzt
werden, wird der Ventilkörper kontinuierlich in seiner
betätigten Position gehalten. Hierbei wird der Strom durch
die Magnetspule 2 gemäß dem neuen Verfahren gesteuert. Die
hierbei verwendete Schaltfrequenz beträgt typischerweise
einige kHz. Von Zeit zu Zeit wird jedoch die Steuerung
unterbrochen und der Strom durch die Magnetspule 2 bis auf
seinen Maximalwert hochgefahren. Hiermit wird gewährleistet,
daß der Ventilkörper auch bei einem Lagewechsel,
beispielsweise durch eine Erschütterung wieder in seine
betätigte Position überführt wird. Ferner ist zu diesem
Zeitpunkt die Gelegenheit zu der Messung des ohmschen
Widerstands der Magnetspule möglich. Eine einmalige Messung
des ohmschen Widerstands reicht nicht aus, da er sich ständig
in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen ändern
kann.
Bezugszeichenliste
1 Steuereinrichtung
2 Magnetspule
3 Leistungsschalter
4 Meßwiderstand
5 1. Meßeinrichtung
6 2. Meßeinrichtung
7 Diode
8 Stelleinrichtung
9 Steuereinheit
10 Spannungsquelle
11 Verstärker
12 Verstärker
13 Steuerleitung
14 Schaltsignal
15 tPD
16 tein
17 Überspannungssicherung
18 Kurzschlußschalter
19 Kurzschlußschalter
20 Multiplexer
21 Analog-Digital-Wandler
22 Frequenzteiler
23 Pulsbreitenmodulator
24 Widerstand
25 Widerstand
26 Puls
2 Magnetspule
3 Leistungsschalter
4 Meßwiderstand
5 1. Meßeinrichtung
6 2. Meßeinrichtung
7 Diode
8 Stelleinrichtung
9 Steuereinheit
10 Spannungsquelle
11 Verstärker
12 Verstärker
13 Steuerleitung
14 Schaltsignal
15 tPD
16 tein
17 Überspannungssicherung
18 Kurzschlußschalter
19 Kurzschlußschalter
20 Multiplexer
21 Analog-Digital-Wandler
22 Frequenzteiler
23 Pulsbreitenmodulator
24 Widerstand
25 Widerstand
26 Puls
Claims (8)
1. Verfahren zur Steuerung des Stroms durch eine Magnetspule,
insbesondere derjenigen eines Magnetventils, bei dem der
Strom durch die Magnetspule anhand der an einem mit der
Magnetspule in Reihe geschalteten Meßwiderstand abfallenden
Spannung gemessen und die Magnetspule über einen
Leistungsschalter alternierend ein- und ausgeschaltet wird,
wobei die ausgeschaltete Magnetspule kurzgeschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die über der Magnetspule (2) und
dem Leistungsschalter (3) abfallende Spannung kontinuierlich
gemessen wird, daß der Strom bei eingeschalteter Magnetspule
(2) zu einem Zeitpunkt gemessen wird, nachdem die
Magnetspule (2) für einen Zeitraum von 5 τ durchgehend
eingeschaltet war, wobei der Strom durch die Magnetspule
einem Zeitgesetz
gehorcht, wobei sich τ in
bekannter Weise aus dem ohmschen Widerstand und der
Induktivität der Magnetspule (2) ergibt, und daß der Strom
und die gleichzeitig gemessene Spannung zur Bestimmung des
ohmschen Widerstands der Magnetspule (2) herangezogen werden
und daß bei fester Schaltfrequenz die Magnetspule (2) in
Abhängigkeit von der aktuellen Spannung und dem zuletzt
bestimmten ohmschen Widerstand der Magnetspule (2) für
unterschiedlich lange Zeiten tein eingeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßwiderstand (4), wenn der Strom nicht gemessen wird,
kurzgeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Kurzschließen der ausgeschalteten Magnetspule (2) eine Diode
ständig parallelgeschaltet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum
schnellen Herunterfahren des Stroms durch die Magnetspule (2)
die Magnetspule (2) ausgeschaltet und nicht kurzgeschlossen
wird.
5. Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem elektronischen
Leistungsschalter, einem mit der Magnetspule in Reihe
geschalteten Meßwiderstand, einer ersten Meßeinrichtung für
die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung und einer
parallel zur Magnetspule geschalteten Diode, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung (5) die über dem
Meßwiderstand (4) abfallende Spannung mißt, nachdem die
Magnetspule (2) für einen Zeitraum von 5 τ durchgehend
eingeschaltet war, wobei der Strom durch die Magnetspule
einem Zeitgesetz
gehorcht, wobei sich τ in
bekannter Weise aus dem ohmschen Widerstand und der
Induktivität der Magnetspule (2) ergibt, und daß eine zweite
Meßeinrichtung (6) für die über der Magnetspule (2) und dem
elektronischen Leistungsschalter (3) abfallende Spannung
vorgesehen ist und daß ein Pulsbreitenmodulator (23)
vorgesehen ist, der die Pulsbreite (tein) einer den
Leistungsschalter ansteuernden Pulsfolge mit fester
Schaltfrequenz zur Steuerung des Stroms durch die Magnetspule
(2) einstellt.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kurzschlußschalter (19) vorgesehen ist, mit dem der
Meßwiderstand (4) überbrückbar ist.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtungen ausgangsseitig mit einem Analog-
Digital-Wandler (21) verbunden sind und daß eine digitale
Stelleinrichtung (8) für einen Referenzwert vorgesehen ist.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Analog-Digital-Wandler (21) und den
Meßeinrichtungen (5, 6) ein Multiplexer (20) vorgesehen ist.
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