DE4443259A1

DE4443259A1 - Verfahren zur Messung der Ankerlage

Info

Publication number: DE4443259A1
Application number: DE4443259A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmelter
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1995-06-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1 und 14.

Bei bekannten Verfahren wird die Ankerlage als Regelgröße mit tels zusätzlicher Sensoren ermittelt. Nachteilig dabei ist ne ben dem erheblichen schaltungstechnischen Aufwand auch die Ge fahr, daß die Ansteuerung des Hubmagneten die Sensorik störend beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren für die Messung der Ankerlage an zugeben, das ohne zusätzliche Sensorik auskommt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unab hängigen Patentansprüche 1 und 14 alternativ gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der zeitliche Ver lauf des Spulenstromes i(t) von der Ankerlage abhängt. Letzt lich ist die erfindungsgemäß zu ermittelnde Zeitkonstante (Anspruch 1) oder die Integrationszeit t_y (Anspruch 14) ein Maß für die Ankerlage. Bei den Varianten ist gemeinsam, daß für die Messung die Spule des Hubmagneten verwendet wird. Ein separater Sensor ist nicht erforderlich. Beide Verfahren beruhen auf eine Kombination von Lagemessung und getakteter Steuerung.

Anspruch 2 charakterisiert eine vorteilhafte Ausführungsform, wobei lediglich eine Zeitdauer t_x1 zwischen einem Extremwert der i(t)-Kurve, das heißt I_min. oder I_max., und einem festen Schwellwert I_s gemessen wird.

Nach Anspruch 3 wird eine Zeitdauer t_x2 zwischen zwei Schwell wertdurchgängen bestimmt.

Die Ansprüche 4 bis 7 betreffen unterschiedliche Modifikationen der Schwellwertwahl, die mit der Zeitmessung t_x1 nach Anspruch 2 oder t_x2 nach Anspruch 3 kombiniert werden können. Dabei wird die Schwelle nach Anspruch 4 auf einen festen Wert I_s = const. eingestellt. Die Messung ist dann auf bestimmte Einschaltdauern ED des Ansteuer- beziehungsweise PWM-Signals begrenzt. Bei sehr kleinen beziehungsweise sehr großen Einschaltdauern ED kann es vorkommen, daß der Spulenstrom i(t) die Schwelle I_S entweder zu keinem Zeitpunkt oder ständig überschreitet und damit eine Messung unmöglich macht. Der Vorteil dieser Variante liegt in einer sehr einfachen Realisierbarkeit einer entsprechenden Schaltung.

Nach Anspruch 5 ist die Schwelle I_S ein Teil des Strommittel wertes. Bei Kombination mit der Zeitmessung t_x1 gemäß Anspruch 2 kann die Messung nicht für alle Einschaltdauern ED funktio nieren, da der Mittelwert I_LMittel für steigende Einschalt dauern ED monoton zunimmt, aber der Abstand I_pp der Spitzen werte I_min. und I_max. der i(t)-Kurve wieder abnimmt. Bei Mes sung nach Anspruch 3 entspricht das Meßergebnis bei geeignetem Verhältnis zwischen Schwelle I_S und Strommittelwert I_LMittel direkt der Spulenzeitkonstante t_x, damit der Induktivität und damit der Ankerlage.

Der Vollständigkeit halber ist ein Meßverfahren gemäß Anspruch 6 ebenfalls angeführt, wobei hier generell nur eine geringe Empfindlichkeit zu erwarten ist. Eine Veränderung des Spitzen abstandes I_pp durch Änderung der Induktivität und damit der An kerlage kann nicht von einer Veränderung aufgrund einer verän derten Einschaltdauer ED unterschieden werden.

Nach Anspruch 7 liegt die Schwelle I_S konstant über oder unter dem Strommittelwert I_LMittel. Hierbei ist die Empfindlichkeit sowohl in Kombination mit der Zeitmessung nach Anspruch 2 wie auch nach Anspruch 3 besonders groß. Das Verfahren gemäß An spruch 3 zeichnet sich dabei durch eine nochmal verdoppelte Empfindlichkeit aus, da beide Spulenstromflanken verwendet wer den können. Mit einer Diode läßt sich die additive Konstante recht einfach realisieren.

Ein weiteres Verfahren im Rahmen der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 gekennzeichnet. Dieses Verfahren un terscheidet sich von dem vorgenannten nur in der Meßdauer. Wenn die Messung nicht an einen festen Schwellwert gebunden ist, sondern an einen relativen, dann kann die Messung unter Umstän den abgekürzt werden. Es ist denkbar, daß die Zeit t_x3 ausge messen wird, die der Spulenstrom benötigt, um beispielsweise um 63% abzufallen. Die gemessene Zeit t_x3 würde dann exakt einer Zeitkonstanten t_x entsprechen. Allerdings ist dazu ein erhöhter Meßaufwand erforderlich.

Prinzipiell gilt, daß die Schwelle I_S für maximale Empfind lichkeit so nahe wie möglich am Stromwert im Umschaltzeitpunkt, das heißt nahe I_min. beziehungsweise I_max., gelegt sein muß. In konsequenter Weiterentwicklung ist daher die Vorgabe einer optimalen Schwelle durch einen steuernden Mikroprozessor erforderlich.

Eine kurze Meßzeit bei gleichzeitig hoher Auflösung ist durch Kombination der Merkmale der Ansprüche 3 und 9 gegeben. Die beiden Schwellen I_S1 und I_S2 werden in die Nähe der Umschalt zeitpunkte gelegt, so daß eine maximale Auflösung erreichbar ist.

Bei höheren PWM-Frequenzen verringert sich der Effekt der t_x- Änderung bei Lageänderung des Ankers sehr stark. Ab ca. 400 Hz kann der Effekt kaum noch beobachtet werden; bei 20 kHz ist er nicht mehr meßbar. Auf der anderen Seite führen magnetische Kräfte bei geringen PWM-Frequenzen zu einer akustischen Ab strahlung. Die Geräuschemission durch den Anker verschwindet bei Frequenzen deutlich oberhalb der mechanischen Resonanzfre quenz, weil sich bei entsprechend hohen Anregungsfrequenzen seine Trägheit auswirkt. Darüber hinaus erzeugt auch die Spu lenwicklung eine akustische Abstrahlung, die jedoch aufgrund der kleineren Massen bei höheren Ansteuerfrequenzen ihre höch ste Intensität aufweist. Deshalb ist eine Ansteuerung mit einer PWM-Frequenz oberhalb des Hörbereiches für die Ansteuerung zu bevorzugen. Weiterhin ist dadurch gewährleistet, daß der Anker so wenig wie möglich bewegt wird, da eine Bewegung auch immer einen Verschleiß darstellt. Nur eine Ansteuerfrequenz deutlich oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz beeinflußt den Anker in seiner Lage nicht.

Um die Messungen dennoch bei relativ niedrigen PWM-Frequenzen durchführen zu können, sind aperiodische Zeitabstände gemäß An spruch 10 vorteilhaft. Eine nicht mehr tolerierbare Ankerbewe gung wird dadurch vermieden. Ein weiterer Vorteil zufällig ein gestreuter Meßzyklen liegt in der eher rauschartigen akusti schen Abstrahlung, die vom menschlichen Ohr nicht so deutlich wahrgenommen wird wie eine periodische Abstrahlung.

Durch den Meßvorgang kann der Strommittelwert derart verändert werden, daß ein Einfluß auf die Lage des Ankers ausgeübt wird. In diesem Fall ist eine Kompensationsansteuerung gemäß Anspruch 11 empfehlenswert. Allerdings kann ein Gleichstrommittelwert entsprechend 100% ED nicht mehr erreicht werden.

Eine komfortablere Verfahrensvariante ist durch Anspruch 12 ge geben. Bei diesem Verfahren wird die PWM-Frequenz vor einer Messung reduziert und danach wieder erhöht. Es handelt sich also um eine Frequenzmodulation. Diese Ansteuermethode ist be sonders dann vorteilhaft, wenn eine planmäßige Lageänderung des Ankers durchgeführt wurde. Aufgrund der Reibungshysterese wird der Anker nicht die gewünschte Lage besitzen. Die Haftreibung kann dann durch "Herausschütteln" (Dither) überwunden werden, wodurch die Soll-Lage des Ankers genauer und schneller angefah ren werden kann. Bei einer solchen Ansteuerung mit Dither wird der Ansteuerung ein Signal überlagert, das den Ankerkern ge ringfügig bewegen kann. Die zwischengeschalteten Meßzyklen wür den gemäß Anspruch 13 mit der Dither-Ausschaltung zusammenfal len.

Eine größere Variationsbreite der vorzuwählenden Parameter wird durch Wahl eines besonders geeigneten Ankers erreicht. Eine Vergrößerung der Masse beziehungsweise der Dämpfung würde den Ankerkern an einer Bewegung hindern, so daß der Vorteil einer hohen Auflösung bei geringer PWM-Frequenz in weiteren Bereichen ausgenutzt werden kann. Allerdings müßte eine Erhöhung der Versorgungsspannung, um die Leistung konstant zu halten, in Kauf genommen werden. Trotzdem ist eine graduelle Verbesserung des Verfahrens durch gezielte Wahl des Ankermaterials möglich.

Prinzipiell treten bei geringer PWM-Frequenz zwei Probleme auf, nämlich die akustische Abstrahlung durch die Ankerbewegung und die Reibung. Wenn die Reibung und damit der Verschleiß durch eine geeignete Lagerung reduziert wird, kann die niedrige PWM- Frequenz durchaus tolerierbar sein. Durch das Verfahren selbst kann sogar der Verschleiß tolerierbar sein, da eine vergrößerte Reibung über den Regelkreis kompensiert wird.

Die Verwendung der oben beschriebenen Meßverfahren bedingt ge nerell eine relativ niedrige PWM-Frequenz. Bei höheren Fre quenzen wird die Realisierung des Verfahrens erheblich er schwert, und es steht nur eine verringerte Zeit für den Meß vorgang zur Verfügung. Die Meßzeit kann insgesamt niemals län ger werden als die Periodendauer der Ansteuerung durch das PWM- Signal. Um diese Schwierigkeiten auszuräumen, wird die zu be vorzugende Verfahrensvariante gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen. Auf diese Weise läßt sich die Frequenz des PWM-Signals in sehr weiten Grenzen variieren, wobei gleichzeitig eine deutliche Erhöhung der Auflösung möglich ist. Die Integrationszeit t_y ist bei diesem Verfahren von der Einschaltdauer ED und der Lage des Ankers abhängig. Der Meßwert ist folglich im Zusammenhang mit der bekannten Einschaltdauer ED aussagekräftig.

Die schaltungstechnische Realisierung aller oben genannten Ver fahrensvarianten ist mit bekannten Elementen und Schaltungs teilen problemlos möglich.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden nachstehend an hand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild,

Fig. 2 eine erste Meßschaltung,

Fig. 3 eine zweite Meßschaltung,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Spulenstromes bei verschie denen Einschaltdauern,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Spulenstromes bei verschie denen Induktivitäten,

Fig. 6 Signalverläufe, zugeordnet der Meßschaltung gemäß Fig. 2 oder 3,

Fig. 7 einen Zeitverlauf der Ansteuerfrequenz bei Frequenz modulation,

Fig. 8 beziehungsweise 8a den zeitlichen Verlauf des Spulen stromes mit zugeordneten Schwellen und

Fig. 9 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines inte grativen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Einordnung eines Hubmagneten 1 in eine Meß- und Ansteuerschaltung. Der Hubmagnet 1 besteht da bei im wesentlichen aus einer Spule der Induktivität L und ei nem innerhalb der Spule beweglich gelagerten Ankerkern. Der Hubmagnet 1 und ein Vorwiderstand R_V 2 sind in einen Gleich stromkreis mit einer Spannungsquelle 3 eingebunden, wobei der Gleichstromfluß durch eine, symbolhaft als Schalter 4 veran schaulichte Puls-Weiten-Modulation PWM 13, quasi zerhackt wird. Der Hubmagnet 1 und der Vorwiderstand 2 sind von einer Diode 5 überbrückt. Die Meßschaltung 100 besteht im wesentlichen aus einem Verstärker 101, einer Schwellenbildung 102 und einem Ver gleicher 103. Durch den Verstärker 101 wird das am Vorwider stand R_V 2 abfallende Spannungssignal zur Weiterverarbeitung aufbereitet und sowohl dem Vergleicher 103 als auch der Schwel lenbildung 102 zugeführt. Dieses Signal ist proportional dem Spulenstrom i(t). Die Schwellenbildung 102 kann in sehr unter schiedlicher Weise aufgebaut sein, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird. Prinzipiell kann entweder eine über die Leitung 104 dem Vergleicher 103 zugeführte Schwelle S₁ vorgese hen sein, oder es werden zwei Schwellen S₁ und S₂ gebildet, die mittels der Leitungen 104 und 104′ dem Vergleicher 103 zuge führt werden. Dabei kann der Vergleicher 103 weitere über den Vergleich des Verstärkerausgangssignals und des Schwellenbil dungssignals hinausgehende Funktionseinheiten aufweisen. Am Ausgang des Vergleichers 103 steht ein Signal Out 12 an, das die Ankerlage charakterisiert.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der die Ansteuer elemente denen der Fig. 1 entsprechen. Die Meßschaltung 100 ist hingegen folgendermaßen spezifiziert:

Die Schaltung weist einen Operationsverstärker OP 6 auf, dessen invertierender Eingang 7 mit einem Spannungsteileranschluß 8 zwischen dem Hubmagneten 1 und dem Vorwiderstand 2 verbunden ist und dessen nicht invertierender Eingang 9 über einen Po tentialanschluß + U_M und einen einstellbaren Widerstand 10 auf festem Potential liegt. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP 6 wird das Signal Out 12 erzeugt, das in Abhängigkeit von den Schaltungsparametern, insbesondere der Ankerkernlage und dem PWM-Signal 13 im folgenden betrachtet wird.

Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende:

In Abhängigkeit von der Ankerlage ändert sich die Induktivität der Spule und damit deren Zeitkonstante. Die Zeitkonstante wiederum bestimmt die Stromsteilheit des Spulenstromes i(t) beim Ein- und Ausschalten der Spannungsquelle 3, das heißt, bei Betätigung des Schalters 4 mit der Frequenz des PWM-Signals 13. Die dargestellte Schaltung registriert die Zeitdauer zwischen dem Über- und Unterschreiten eines Schwellwertes als Maß für die Lage des Ankers. Unmittelbar nach Schließen des Schalters 4 wird die Spannung am invertierenden Eingang 7 des Opera tionsverstärkers OP 6 auf ein niedriges Potential gezogen. Der Spulenstrom i(t) steigt mit einer Verzögerung, die seiner Zeitkonstante entspricht, an und führt zu einem proportionalen Spannungsabfall am Vorwiderstand R_V 2. Wenn der mittels des Wi derstandes 10 am nicht invertierenden Eingang 9 des Opera tionsverstärkers OP 6 eingestellte Wert überschritten wird, wechselt der Ausgang 12 des Operationsverstärkers OP seine Po larität. Wenn der Schalter 4 geöffnet wird, wird der Ausgang 12 des Operationsverstärkers OP ebenfalls mit einer Zeitverzöge rung schalten.

In Fig. 3 ist eine leicht modifizierte Schaltung dargestellt, bei der nur der Anstieg des Spulenstromes i(t) nach Schließen des Schalters 4 gemessen werden kann. Eine separate Spannungs quelle für das Vergleichspotential am nicht invertierenden Ein gang 9 des Operationsverstärkers OP 6 ist hier nicht vorgese hen. Nach Öffnen des Schalters 4 liegt folglich am nicht in vertierenden Eingang 9 die Betriebsspannung der Gleichspan nungsquelle 3 an.

Für das Verständnis der Arbeitsweise der Schaltungen gemäß der Fig. 1 bis 3 ist es erforderlich, den zeitlichen Verlauf des Spulenstromes i(t) in Abhängigkeit von der Einschaltdauer ED des PWM-Signals und der Lage des Ankers zu kennen.

Fig. 4 zeigt drei Kurvenläufe für den Spulenstrom i(t) bei spielhaft für drei verschiedene Einschaltdauern ED und kon stanter Lage des Ankers als feste Induktivität. Es ist jeweils nur eine Steuerperiode dargestellt. Die gestrichelten Linien 14.1, 14.2 und 14.3 zeigen den jeweiligen Strommittelwert i_LMittel. Es wird deutlich, daß der Strommittelwert i_LMittel von der Einschaltdauer ED abhängt. Angenähert gilt dabei: i_LMittel = i_max · ED/100%. Weiterhin ist die Differenz i_pp von Spitze zu Spitze abhängig von der Einschaltdauer ED.

In Fig. 5 ist der Spulenstrom i(t) für verschiedene Indukti vitäten L₁, L₂ und L₃, das heißt Ankerlagen, bei konstanter Einschaltdauer ED = 50% dargestellt. Es ist ersichtlich, daß eine Lageänderung nur die Differenz i_PP zwischen den Spitzen, nicht aber den Strommittelwert 14 beeinflußt.

Die Funktionsweise der Schaltungen gemäß Fig. 1 bis 3 ba siert nun darauf, daß die Zeit zwischen dem Schließen des Schalters 4, das heißt dem Aufschalten der Versorgungsspannung an die Spule des Hubmagneten 1, bis zum Erreichen eines mittels des einstellbaren Widerstandes 10 frei wählbaren Spulenstromes gemessen wird.

In Fig. 6 ist dazu der Verlauf des Ansteuersignals PWM 13 und des dazugehörigen Ausgangssignals 12 des Operationsverstärkers OP 6 dargestellt. Die fallende Flanke 15 des Ausgangssignals 12 hat eine feste Lage gegenüber der steigenden Flanke 16 des PWM- Signals 13 und ist in ihrer Lage durch Schaltverzögerungen des Operationsverstärkers OP 6 gegeben. Diesen Zusammenhang veran schaulicht auch der Bezugsfall a. Die ansteigende Flanke des Ausgangssignals 12 hängt unter anderem von der Spulenindukti vität und damit der Lage des Ankers ab. Der schraffierte Be reich 17 kennzeichnet die mögliche Lage dieser ansteigenden Flanke. Die Breite dieses Bereiches 17 bestimmt die Auflösung der Lagemessung. Die Lagemessung erfolgt, indem die Zeit zwi schen abfallender Flanke des PWM-Signals 13 und der ansteigen den Flanke des Ausgangssignals 12 gemessen wird. Eine Breite von ca. 200 µs konnte bei einer Einschaltdauer ED von ca. 50% bei ca. 200 Hz PWM-Frequenz gemessen werden. Bei Verwendung ei nes Mikrocontrollers mit 1 µs Zykluszeit ergibt dies eine Auf lösung von 200 Schritten. Bei höheren Frequenzen der PWM-An steuerung verringert sich der Effekt der Zeitkonstantenänderung sehr stark. Oberhalb der Frequenz, die durch den Kehrwert der elektrischen Zeitkonstante der Spule gegeben ist, bei spielsweise oberhalb von ca. 400 Hz, kann der Effekt kaum noch beobachtet werden, da die Spule als Tiefpaß wirkt und den Strom glättet. Daher muß die Meßschaltung mit steigender PWM-Frequenz deutlich empfindlicher werden. Auf der anderen Seite verursacht eine geringe PWM-Frequenz eine bemerkbare akustische Abstrah lung und eventuell auch eine Anregung des Ankers, so daß dieser sich bewegt. Die Geräuschemission sowie die Ankerbewegung kön nen nicht hingenommen werden, so daß eine PWM-Ansteuerung bei 20 kHz allgemein üblich ist. Wie oben gezeigt, verringert sich bei dieser hohen Frequenz jedoch die Auflösung für die Lagemes sung ganz erheblich.

Deshalb wird eine variable Ansteuerfrequenz des PWM-Signals 13 vorgeschlagen. Fig. 7 zeigt den Verlauf der Ansteuerfrequenz f_St über die Zeit t. Bei diesem Verfahren wird die Ansteuer frequenz f_St vor einer Messung von ca. 20 kHz auf ca. 200 Hz reduziert; die Messung wird durchgeführt, und die Ansteuerfre quenz wird daraufhin wieder erhöht. Weil nur die Steuerfrequenz - nicht aber die Einschaltdauer ED - geändert wird, entfällt eine Kompensation des Strommittelwertes (siehe Fig. 4 und 5). Bei diesem Frequenzmodulationsverfahren werden periodisch Töne erzeugt, da die Ansteuerfrequenz akustisch abgestrahlt wird. Durch geeignete Rampenform und Rampensteilheit ist dieser Effekt allerdings minimierbar. Um den Verschleiß gering zu halten, sollte die Messung kurzgehalten werden und ver gleichsweise selten initiiert werden.

Das beanspruchte Meßverfahren beruht im wesentlichen darauf, die Zeitkonstante oder eine daraus abgeleitete Größe, wie zum Beispiel die Stromsteilheit der Spule, zu bestimmen.

Die vorgestellten Schaltungen der Fig. 1 bis 3 gestatten es, die Zeit zu messen, die gebraucht wird, eine bestimmte Stromän derung zu erreichen. Die Realisierung ist relativ unkompli ziert, da es mit einem Prozessor gelingt, eine Zeit mit großer Auflösung zu bestimmen.

Eine bessere Auflösung, bei gleichzeitig sinkendem Realisie rungsaufwand, kann erreicht werden, wenn statt der Zeitkon stante andere ankerlageabhängige Zeiten gemessen werden. Diese Fälle lassen sich aber auf Zeitkonstantenmessungen zurückfüh ren.

Fig. 8 zeigt den Stromverlauf an der Spule, allerdings nicht maßstäblich und unter Vernachlässigung des Gleichanteils des Spulenstromes.

Die schraffierten Bereiche zeigen die Zeiten, in denen die Spule an die Betriebsspannung geschaltet ist (Schalter 4 ge schlossen). Die beiden Pfeile markieren die steigende und fal lende Flanke der Ansteuerung. Die Flanken stellen Bezugspunkte dar, die für eine Zeitmessung nötig sind. T_p ist der Zeitpunkt, an dem der Schalter 4 geöffnet wird, T_PWM der Zeitpunkt, an dem der Schalter 4 geschlossen wird. i_L,Mittel 14 ist der Mit telwert des Stromes i(t). I_S1 18 und I_S2 19 sind Stromschwell werte. Beide Schwellwerte 18 und 19 sind frei wählbar. Die Lage der Schwellen kann für eine bestimmte Schaltung festliegen oder aber an andere Kennwerte gekoppelt sein, zum Beispiel den Strommittelwert. Auch eine dynamische Einstellung der Schwelle mit Hilfe des Prozessors ist denkbar. Auf eine optimale Posi tionierung wird später eingegangen. Das Erreichen eines Schwellwertes stellt ein Ereignis dar, auf das bei einer Zeit messung Bezug genommen werden kann.

Für eine Messung der Lage werden jetzt Vorschläge gemacht, die dann im einzelnen kurz diskutiert werden. Die Meßverfahren un terscheiden sich durch verschiedenen Start- und Endpunkt der Messung.

Als Ereignis, die Messung zu beginnen oder zu beenden, kommen die Flanken der PWM-Ansteuerung oder das Erreichen eines Schwellenstromes in Frage.

In Fig. 8a sind beispielhaft zwei Zeiten eingetragen, die ausgemessen werden können und dann ein Maß für die Induktivität darstellen.

Die Zeit A steht stellvertretend für eine Gruppe von Zeitmes sungen, bei denen die Zeit zwischen Spulenansteuerung und dem Erreichen eines Schwellwertes gemessen wird. Dabei ist es un erheblich, ob das Start- oder Endereignis durch die Spulenan steuerung bestimmt ist. Ebenfalls macht es keinen Unterschied, ob die steigende oder fallende Flanke verwendet wird. Jede Kom bination der Ereignisse PMW-Ansteuerung-Schwellenüber-/ -unterschreitung führt zu gleicher Empfindlichkeit der Zeitmes sung bezüglich der Induktivität. Diese Art der Zeitmessung wird im folgenden Messung A genannt.

Auch die Zeit B steht für eine Gruppe von Zeitmessungen, bei denen die Zeit zwischen einer Schwellwert-Über- oder -Unter schreitung und einer anderen Schwellwert-Über- oder -Unter schreitung gemessen wird. Dabei können eine oder zwei Schwellen im Spiel sein.

Auch hier sind alle sinnvollen Kombinationen vergleichbar. Diese Gruppe von Zeitmessungen wird Gruppe B genannt.

Nachfolgend werden sechs Möglichkeiten beschrieben, die Schwel len und damit die Schwellenströme I_S1 und I_S2 festzulegen. Der Strom I_S steht stellvertretend für beide Ströme.

Die Schaltung zur Erstellung der Schwelle (Schwellenbildung 102) sollte einfach realisierbar sein und garantieren können, daß bei einer geeigneten Gruppe von Zeitmessungen für alle Ein schaltdauern ED ein Meßwert bestimmt werden kann. Speziell die letzte Forderung muß relativiert werden, denn bei 0 und 100% gibt es keinen Wechselanteil des Stromes mehr, der ausgewertet werden könnte.

- I_S = const
Die Schwelle wird auf einen festen Wert eingestellt. Bei Zeitmessungen nach Gruppe A oder B ist damit die Messung auf bestimmte Einschaltdauern ED begrenzt. Bei klei nen/großen Einschaltdauern ED kann es sein, daß der Spulen strom i(t) die Schwelle I_S entweder zu keinem Zeitpunkt oder immer überschreitet und damit eine Messung unmöglich macht. Der Vorteil liegt in einer sehr einfachen Realisier barkeit der Schaltung.
- I_S = const* i_L,Mittel
Die Schwelle ist ein Teil des Strommittelwertes. Messungen nach Gruppe A oder B ergeben eine brauchbare Empfindlich keit, aber die Messung kann nicht für alle Einschaltdauern ED funktionieren, da der Mittelwert für steigende ED mono ton zunimmt, aber die Schwankungsbreite i_PP zu großen ED hin wieder abnimmt. Für große ED liegt die Schwelle dann immer ober- oder unterhalb des Stromes.
- I_S = f (i_PP)
Die Schwelle ist abhängig von i_PP. Hierbei sinkt die Emp findlichkeit des Meßverfahrens generell erheblich. Eine Veränderung von i_PP durch Änderung der Induktivität kann nicht von einer Änderung von i_PP aufgrund eines veränderten ED unterschieden werden (eine Schaltung stellt die Schwelle unabhängig von der ED fest).
- I_S = const* I_TP
Hier wird die Schwelle in Abhängigkeit des maximalen Stro mes gelegt. Diese nicht in den Figuren gezeigte Variante zur Ermittlung der Zeitkonstante speichert den Strom im Schaltpunkt zwischen und mißt die Zeit, die vergeht, bis der Strom sich um einen relativen Anteil verändert hat, zum Beispiel um 63%. Die gemessene Zeit würde dann exakt einer Zeitkonstanten entsprechen. Eine Schaltung, die dieses lei stet, ist aber im Vergleich zu den anderen vorgestellten Lösungen aufwendig und fehleranfällig. Diese Messung ist nicht für alle ED geeignet, weil der Strom zum Beispiel bei kleinen ED den Schwellwert eventuell nie erreicht.
- I_S_ I_TP beziehungsweise I_S _I_TPWM
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Schwelle für maximale Auflösung so nahe wie möglich am Stromwert im Umschaltzeitpunkt liegen muß. Schaltungstech nisch ist dies am ehesten durch eine Schwellenvorgabe durch den steuernden Mikroprozessor realisierbar.
- I_S = I_L,Mittel + const.
Die Schwelle liegt konstant über/unter dem Mittelwert. Hierbei ist die Empfindlichkeit bei beiden Gruppen beson ders groß. Das Verfahren B zeichnet sich allerdings durch eine nochmal verdoppelte Empfindlichkeit aus, da beide Flanken des Spulenstromes verwendet werden. Mit einer Diode läßt sich die additive Konstante recht einfach realisieren. Die Schaltung funktioniert auch hier nicht für alle ED, al lerdings ist der Bereich kaum eingeschränkt, wenn die Kon stante klein gehalten werden kann.

Die Verwendung einer einzigen Schwelle hat Vorteile hinsicht lich der Realisierung, da nur ein Schwellwertvergleicher 103 gebraucht wird. Damit ist der Aufwand geringer als bei einer Messung mit zwei Schwellen. Die Schwelle kann dann gemäß einem der vorgestellten Verfahren gewählt werden. Die Bezugszeit für die Messung sollte so gewählt sein, daß der Strom zum Start der Messung möglichst stark vom Strom am Ende der Messung abweicht.

Bei Verwendung von zwei Schwellen sind nur noch Messungen nach Gruppe B sinnvoll. Auch hier können die Schwellen aus den oben aufgezeigten Möglichkeiten frei ausgewählt werden. Der Vorteil bei der Verwendung von zwei Schwellen, nämlich eine erhöhte Auflösung, kann allerdings nur erreicht werden, wenn die Schwellen möglichst unterschiedliche Werte haben. Damit sollten die Schwellen so nahe wie möglich bei den Strömen in den Schaltpunkten liegen.

Bei den oben beschriebenen Meßverfahren wird die Realisierung dadurch erschwert, daß die Meßzeit niemals länger werden kann als die Periodendauer des PWM-Signals. Um diesen Schwierigkei ten zu begegnen, ist ein integrales Meßverfahren insgesamt zu bevorzugen. Der gemessene physikalische Effekt akkumuliert sich dabei. Die Auflösung läßt sich mit diesem Verfahren im Prinzip beliebig steigern - bei gleichzeitig steigender Meßdauer. Vor ausgesetzt wird dabei allerdings eine unveränderte Ansteuerung während aller Perioden, die für ein Meßergebnis herangezogen werden. Ein entsprechendes Blockschaltbild zeigt Fig. 9. Bei behalten wurde das Konzept der kombinierten Messung und Steue rung und einer Zeitmessung bis zum Erreichen einer Schwelle. Gemessen wird - wie bisher - zunächst der Spulenstrom i(t) in Form eines Spannungsabfalls am Meßwiderstand R_V 20. Nachge schaltet sind ein Eingangsverstärker 21 und ein Hochpaßfilter 22 zur Gleichspannungsentkoppelung. Die resultierende Wechsel spannung wird einem Gleichrichter 23 und hernach einem Tief paßfilter 24 zur Glättung zugeführt. Das Signal wird nun auf einen Integrator 25 gegeben, der von einem Mikroprozessor auf einen definierten Startwert gebracht werden kann. Die Ausgangs spannung des Integrators 25 wird jetzt wiederum auf einen Schwellwertvergleicher, hier einen Schmitt-Trigger 26, geleitet, der bei Erreichen der Schwelle sein Ausgangspotential ändert. Die Zeit zwischen Integrationsstart und Erreichen der Schwelle ist ein Maß für die Lage des Ankers relativ zur Spule. Durch entsprechende Dimensionierung kann die Integrationszeit in wei ten Grenzen variiert werden.

Der Sinn des Hochpaßfilters 22 hinter dem Eingangsverstärker 21 liegt in der Steigerung der Auflösung. Der Gleichanteil des Stromes ist nämlich unabhängig von der Lage des Ankers und lie fert damit keinen Beitrag zur Lagemessung. Ohne diesen Hochpaß filter 22 wäre das Meßverfahren kaum realisierbar, da der An teil des lageabhängigen Wechselstromes wesentlich kleiner ist als der Anteil des lageunabhängigen Gleichstromes. Der Tiefpaßfilter 24 vor dem Integrator 25 ist nicht unbedingt nötig für das Meßverfahren. Dann muß allerdings mit verstärktem Rauscheinfluß gerechnet werden. Der schaltungstechnische Aufwand sinkt jedoch.

Der Schmitt-Trigger 26 wird zur Erzeugung einer sauberen Flanke am Ausgang der Schaltung benötigt, die dann in ihrer Lage rela tiv zu den Ansteuersignalen von einem Mikroprozessor ausgewer tet werden kann.

Die Schaltung gemäß Fig. 9 berechnet die folgende Gleichung im Sinne eines Analogrechners:

Dabei ist Q eine Konstante, die der Schaltschwelle des Schmitt- Triggers 26 entspricht. In der Gleichung hat Q die Einheit ei ner Ladung.

Der Ausdruck in den Betragstrichen stellt den Wechselanteil des Spulenstromes dar. t_o kennzeichnet den Integrationsstart und ist der Zeitpunkt, in dem die Messung begonnen wird.

t_y ist der von der Schaltung ermittelte Meßwert. Die Integra tion wird so lange ausgeführt, bis die Schwelle Q erreicht wird. Das geschieht zum Zeitpunkt t_y.

Der Vorteil des Integrationsverfahrens liegt darin, daß die Messung nun über viele Perioden, insbesondere < 100, verteilt wird. Die Auflösung steigt deshalb enorm an. Der Zeitmaßstab wird quasi gedehnt. Dadurch ist es möglich, die PWM-Frequenz sehr hoch einzustellen, obwohl damit an sich eine Verringerung der Auflösung verbunden ist. Die Meßdauer ist bei diesem Ver fahren von der Einschaltdauer ED und der Lage des Ankers ab hängig. Der Meßwert ist folglich im Zusammenhang mit der be kannten Einschaltdauer ED aussagekräftig. Die Realisierung des Verfahrens erfolgt mit bekannten Elementen und Schaltungstei len.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angege benen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von wei teren Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Insbesondere beschränkt sich die Ausführung nicht auf die Realisierung mit diskreten logischen Baugruppen, sondern läßt sich vorteilhaft auch mit programmierter Logik - vorzugs weise unter Verwendung eines Mikroprozessors - realisieren.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Ankerlage bei einem eine Spule mit beweglichem Anker aufweisenden Hubmagneten, der getaktet, insbesondere mit tels Puls-Weiten-Modulation PWM, angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der die Zeitkonstante repräsentierende zeitliche Ver lauf (Stromsteilheit) des Spulenstromes i(t) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Spu lenstromes i(t) durch Messung der Zeit t_x1 zwischen der abfallenden beziehungsweise an steigenden Flanke (16) des Ansteuersignals (13) und einem Schwellwert I_S der ansteigen den beziehungsweise abfallenden Flanke (15) des Spulenstromes i(t) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Spu lenstromes i(t) durch Messung der Zeit t_x2 zwischen zwei Schwellwertdurchgängen I_S er mittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Schwellwert I_S = const. gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Schwellwert I_S = k · I_LMittel gewählt wird, wobei I_LMittel ein Spulenstrommittelwert und k als Verstärkungs faktor mit KER sind.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Schwellwert I_S = f (I_pp) gewählt wird, wobei I_pp der Abstand der Spitzenwerte I_min. und I_max. des Spulenstro mes i(t) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Schwellwert I_S = I_LMit
tel + const. gewählt wird, wobei I_LMittel ein Spulenstrommittelwert (14.1, 14.2, 14.3) und const. eine Konstante mit const. ER sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Spu lenstromes i(t) durch Messung der Zeit t_x3, in der der Spulenstrom i(t) um einen bestimm ten Prozentsatz, vorzugsweise 63%, zu- be ziehungsweise abnimmt, ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei unterschiedliche Schwellen I_S1 und I_S2 (18 und 19) gewählt werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mes sungen der Ankerlage in aperiodischen Zeitab ständen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein durch den Meßvorgang verän derter Strommittelwert I_LMittel (14.1, 14.2, 14.3) durch eine Kompensationsansteuerung ausgeglichen wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre quenz für die Ansteuerung des Hubmagneten (1) oberhalb des Hörbereiches und oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenz des Ankers ge wählt wird und während der Messung der Anker lage auf eine Größenordnung reduziert wird, bei der zwar eine akustische Abstrahlung, aber keine Ankerresonanz auftritt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Messung der Ankerlage wäh rend einer planmäßigen Änderung der Anker lage, insbesondere während einer Dither-Auf schaltung erfolgt.

14. Verfahren zur Messung der Ankerlage bei einem eine Spule mit beweglichem Anker aufweisenden Hubmagneten, der getaktet, insbesondere mit tels Puls-Weiten-Modulation PWM, angesteuert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfah rensschritte:

- Messung des Spulenstromes I_L,Mittel (20),
- Verstärkung (21),
- Hochpaßfilterung (Gleichspannungsentkopp lung) (22),
- Gleichrichtung (23),
- gegebenenfalls Tiefpaßfilterung (Glät tung) (24),
- Integration (25),
- Schwellwertvergleich eines Integrations schwellwertes, und einer vorgegebenen Schwelle Q
- Messung der Zeit t_y zwischen dem Inte grationsstart t_o und dem Erreichen des Integrationsschwellwertes.