DE4231799A1 - Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen Verstärker angesteuerten Magnetregelventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen Verstärker angesteuerten Magnetregelventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Magnetregelventile werden mit Chopperverstärkern, mit Gleich­ stromverstärkern, mit Quasi-Gleichstrom-Verstärkern und mit Taktventilverstärkern betrieben.

Bei einem bekannten Chopperverstärker wird von einem Schaltele­ ment (z. B. ein Feldeffekt-Transistor) eine Spannung in einem gleichmäßigen Takt auf das Magnetregelventil aufgeschaltet. Fig. 1 zeigt die Steuerspannung des Schaltelements U_PWM und sche­ matisch den Strom durch den Magneten bei einem solchen vorbe­ kannten Chopperverstärker. Ein gewünschter mittlerer Strom wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert oder geregelt. Die Frequenz der pulsweitenmodulierten Spannung (Chopper­ frequenz) wird so gewählt, daß der Anker des Magneten zu einer Mikrobewegung (Chopperung) angeregt wird. Eine hohe Chop­ perfrequenz ergibt aufgrund der Magnetankerträgheit eine geringe Chopperung und damit eine hohe Reibung und eine schlechte Ven­ tilhysterese. Eine niedrige Chopperfrequenz ist gut für die Ven­ tilhysterese, schlägt sich aber als unerwünschte, gleichförmige Schwingung auf die zu regelnde Größe durch. Oftmals ergibt sich hier bei herkömmlichen Chopperverstärkern ein Abstimmungspro­ blem.

Ein Gleichstromverstärker verwendet zum Steuern oder Regeln des gewünschten Stromes nicht ein Schaltelement, sondern ein ana­ loges Regelelement (z. B. ein Bipolar-Transistor). Im Regelele­ ment wird überlicherweise Verlustleistung umgesetzt. Dem Strom­ signal wird ein Brummstrom (Dither) überlagert, der ähnlich wie beim Chopperverstärker eine Microbewegung des Magnetankers an­ regt. Für die Frequenz des Brummstroms, bei konstanter Brummam­ plitude, besteht das gleiche Abstimmungsproblem wie beim Chop­ perverstärker.

Ein Quasi-Gleichstromverstärker ersetzt das analoge Regelelement des Gleichstromverstärkers durch ein, bezogen auf die Brummfre­ quenz, höherfrequent getaktetes Schaltelement. Durch die überla­ gerte Taktung wird die Verlustleistung verringert.

Die überlagerte Taktung kann durch eine Pulsweitenmodulations- Stromregelung oder durch einen freischwingenden Stromregler, z. B. einen 2-Punkt-Regler erzeugt werden. Der freischwingende Stromregler ist nicht an eine feste Frequenz gekoppelt. Bei kon­ stantem Stromsollwert stellt sich eine hohe Freischwingfrequenz ein. Bei Stromsollwertänderungen entstehen sehr lange Peri­ odendauern.

Ein Taktventilverstärker schaltet das Magnetregelventil mit der Taktfrequenz ein und aus. Die Regelgröße ist proportional dem Verhältnis Einschaltdauer zu Ausschaltdauer. Die Periodendauer der Taktfrequenz ist dabei groß gegenüber der Schaltzeit des Ventils. Typische Taktfrequenzen sind kleiner als die Chopper- oder Brummfrequenzen der vorgenannten Verstärker.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Geräuschverhalten des Magnetregelventils und des angeschlossenen hydraulischen oder pneumatischen Systems zu verbessern, die Neigung zu gleich­ förmigen Schwingungen im System zu vermindern und bei Chopper-, Gleichstrom- und Quasi-Gleichstromverstärkern das Reibungsver­ halten (Hysterese) des Magnetregelventils zu verbessern. Dies wird mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruches 1 er­ reicht.

Ein Chopperverstärker mit ungleichmäßiger Chopperfrequenz ent­ sprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 steuert oder regelt den Strom ebenfalls mittels Pulsweitenmodulation. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Steuerspannung des Schaltele­ ments und den Strom durch den Magneten nach der Erfindung. Die­ ser Verstärker verhält sich in bezug auf die Verminderung von Reibung wie ein Verstärker mit niedriger Chopperfrequenz, in be­ zug auf die Anregung von gleichförmigen Schwingungen wie ein Verstärker mit hoher Chopperfrequenz.

Der subjektive Geräuschpegel des Magnetregelventils mit der An­ steuerung mittels ungleichmäßiger Chopperfrequenz liegt niedri­ ger als bei Ansteuerung mittels konstanter Chopperfrequenz. Dies trifft auch auf die anderen Ansteuerverstärker zu.

Beim Chopperverstärker ist ein Verfahren bekannt, welches nicht an eine feste Frequenz gekoppelt ist. Es werden hierbei für einen bestimmten Stromsollwert Versorgungsspannungs-Impulse von konstanter Länge vorgegeben und der Stromregler regelt dazu die nötige Impulspausenlänge. Bei hohen Versorgungsspannungen stel­ len sich lange Impulspausen ein. Bei niedrigen Versorgungsspan­ nungen stellen sich kurze Impulspausen ein. Die Periodendauer setzt sich also aus einer konstanten Ein-Phase und einer vari­ ablen Aus-Phase zusammen. Eine inverse Ausführung mit konstanter Aus-Phase und variabler Ein-Phase ist auch möglich. Die Chopper­ frequenz ändert sich mit der Versorgungsspannung.

Auch beim Taktventilverstärker ist ein Verfahren bekannt, wel­ ches mit einer konstanten Ein-Phase und einer variablen Aus- Phase bzw. invers arbeitet. Ist die variable Phase lang, entste­ hen niedrige Taktfrequenzen. Ist die variable Phase kurz, ent­ stehen hohe Taktfrequenzen. Die Taktfrequenz ändert sich mit dem Sollwert.

Die Funktionsweise des Quasi-Gleichstromverstärkers mit frei­ schwingendem Stromregler, des Chopperverstärkers mit konstanter und variabler Phase und des Taktventilverstärkers mit konstanter und variabler Phase darf nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren gleichgesetzt werden, da die Freischwing-, Chopper- oder Taktfrequenz nur von Führungs- und Störgrößen verändert wird.

Im Gegensatz zu den vorgenannten Verfahren wird beim erfindungs­ gemäßen Verfahren eine definiert ungleichmäßige Frequenz immer vorgegeben, die dem System z. B. mittels eines Generators nach Anspruch 3 aufgezwungen wird. Auf diese Weise ist die gewünschte Frequenzänderung jederzeit, unabhängig von Führungs- oder Stör­ größen wie z. B. Stromsollwert oder Versorgungsspannung, gewähr­ leistet.

Die Chopper-, Brumm- und Taktfrequenz ist bei den bekannten Re­ gelventilansteuerungen für konstante Führungs- und Störgrößen konstant. Diese konstante Frequenz schlägt als gleichmäßige Schwingung auf die Regelgröße z. B. Druck oder Durchfluß durch. Wegen der Gleichförmigkeit der Anregung bauen sich hohe Druck- oder Durchflußschwingungsamplituden auf. Die hohen Amplituden verschlechtern den ruhigen Lauf oder die Regelbarkeit des Ge­ samtsystems. Das Verhältnis Störsignal zu Nutzsignal ist schlecht. Bei der Ansteuerung mit ungleichmäßiger Frequenz wer­ den geringere Amplituden von gleichförmigen Schwingungen er­ reicht, was zu einem ruhigeren Lauf führt.

Hauptvorteil der Erfindung ist jedoch das verbesserte Geräusch­ verhalten. Bei konstanter Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenz entstehen mechanische Schwingungen am Magnetventil direkt, in den Leitungen oder bei den angeschlossenen Verbrauchern. Diese Schwingungen sind dann als einzelner Ton von hoher Intensität störend zu hören. Insbesondere im Bereich der Fahrzeughydraulik und -pneumatik ist das Brummen von Taktventilen und das Summen von gechopperten oder geditherten Proportional- und Servoventi­ len äußerst störend.

Eine Auswirkung der Erfindung ist, daß sich Schwingungen einer Frequenz nicht aufbauen können. Die Mischung von Schwingungen mehrerer Frequenz mit jeweils geringerer Intensität ist weniger störend als ein einziger Ton von hoher Intensität. Es kommt da­ bei nicht auf den in dB(A) zu messenden Schalldruck an, sondern auf das subjektive Geräuschempfinden.

Zufallsgeneratoren nach Anspruch 3 können als Software-Algorith­ men z. B. in einem Microcontroller realisiert sein. Die bekannten Zufallsalgorithmen bevorzugen jedoch zeitweise bestimmte Fre­ quenzen oder einen bestimmten Frequenzbereich. Es hat sich des­ halb bewährt, die Zufallsfrequenzen von Hand möglichst ungleich­ mäßig auszuwählen. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Fre­ quenzwechsel, ohne Wiederholung oder Bevorzugung einer bestimm­ ten Frequenz erreicht.

Enthält die Liste der Zufallsfrequenzen keine für das Ohr markan­ ten Punkte ("weißes Rauschen"), kann sie nach einer, bezogen auf die Periodendauer der niedrigsten Zufallsfrequenz, sehr langen Zeit wiederholt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen Ver­ stärker angesteuerten Magnetventils, wobei der Verstärker als Chopperverstärker, als Gleichstromverstärker mit überlagertem Brummsignal, als Quasi-Gleichstromverstärker mit überlagertem Brummsignal oder als Taktventilverstärker ausgeführt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Chopperverstärker die Chopperfre­ quenz, beim Gleichstrom- und beim Quasi-Gleichstromverstärker die Brummfrequenz und beim Taktventilverstärker die Taktfrequenz unregelmäßig gewählt und die Frequenzunregelmäßigkeit definiert aufgezwungen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Frequenzveränderung etwa 20% einer mittleren Gesamtfrequenz beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unregelmäßigkeit der Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenz aus einem Zufallsgenerator erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallswerte des Zufallsgenerators innerhalb von Ober- und Untergrenzen linear nach einer Gaußverteilung oder nach einer anderen mathematischen Funktion verteilt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gleichstrom- und beim Quasi-Gleichstromverstärker zusätz­ lich zur ungleichmäßigen Brummfrequenz noch die Brummamplitude ungleichmäßig gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Kom­ bination hohe Brummfrequenz mit hoher Brummamplitude, niedrige Brummfrequenz mit niedriger Brummamplitude.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unregelmäßige Chopper-, Brumm- oder Taktfre­ quenzverstellung anderen vorbekannten Verfahren der Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenzverstellung, z. B. dem Verfahren der Ver­ stellung in Abhängigkeit einer Temperatur, überlagert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei oder mehreren Magnetregelventilen die ungleichmäßigen Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenzen der einzelnen Ventile untereinander zwangsweise ungleich gewählt werden.