DE4443259A1 - Verfahren zur Messung der Ankerlage - Google Patents
Verfahren zur Messung der AnkerlageInfo
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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 ty (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 tx1 zwischen einem Extremwert
der i(t)-Kurve, das heißt Imin. oder Imax., und einem festen
Schwellwert Is gemessen wird.
Nach Anspruch 3 wird eine Zeitdauer tx2 zwischen zwei Schwell
wertdurchgängen bestimmt.
Die Ansprüche 4 bis 7 betreffen unterschiedliche Modifikationen
der Schwellwertwahl, die mit der Zeitmessung tx1 nach Anspruch
2 oder tx2 nach Anspruch 3 kombiniert werden können. Dabei wird
die Schwelle nach Anspruch 4 auf einen festen Wert Is = 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 IS 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 IS ein Teil des Strommittel
wertes. Bei Kombination mit der Zeitmessung tx1 gemäß Anspruch
2 kann die Messung nicht für alle Einschaltdauern ED funktio
nieren, da der Mittelwert ILMittel für steigende Einschalt
dauern ED monoton zunimmt, aber der Abstand Ipp der Spitzen
werte Imin. und Imax. der i(t)-Kurve wieder abnimmt. Bei Mes
sung nach Anspruch 3 entspricht das Meßergebnis bei geeignetem
Verhältnis zwischen Schwelle IS und Strommittelwert ILMittel
direkt der Spulenzeitkonstante tx, 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 Ipp 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 IS konstant über oder unter
dem Strommittelwert ILMittel. 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 tx3 ausge
messen wird, die der Spulenstrom benötigt, um beispielsweise um
63% abzufallen. Die gemessene Zeit tx3 würde dann exakt einer
Zeitkonstanten tx entsprechen. Allerdings ist dazu ein erhöhter
Meßaufwand erforderlich.
Prinzipiell gilt, daß die Schwelle IS für maximale Empfind
lichkeit so nahe wie möglich am Stromwert im Umschaltzeitpunkt,
das heißt nahe Imin. beziehungsweise Imax., 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 IS1 und IS2 werden in die Nähe der Umschalt
zeitpunkte gelegt, so daß eine maximale Auflösung erreichbar
ist.
Bei höheren PWM-Frequenzen verringert sich der Effekt der tx-
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 ty 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 RV 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 RV 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 + UM 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 RV 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 iLMittel.
Es wird deutlich, daß der Strommittelwert iLMittel von
der Einschaltdauer ED abhängt. Angenähert gilt dabei: iLMittel
= imax · ED/100%. Weiterhin ist die Differenz ipp 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 iPP 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
fSt über die Zeit t. Bei diesem Verfahren wird die Ansteuer
frequenz fSt 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. Tp ist der Zeitpunkt,
an dem der Schalter 4 geöffnet wird, TPWM der Zeitpunkt, an dem
der Schalter 4 geschlossen wird. iL,Mittel 14 ist der Mit
telwert des Stromes i(t). IS1 18 und IS2 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 IS1 und IS2 festzulegen. Der
Strom IS 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.
- - IS = 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 IS entweder zu keinem Zeitpunkt oder immer überschreitet und damit eine Messung unmöglich macht. Der Vorteil liegt in einer sehr einfachen Realisier barkeit der Schaltung. - - IS = const* iL,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 iPP zu großen ED hin wieder abnimmt. Für große ED liegt die Schwelle dann immer ober- oder unterhalb des Stromes. - - IS = f (iPP)
Die Schwelle ist abhängig von iPP. Hierbei sinkt die Emp findlichkeit des Meßverfahrens generell erheblich. Eine Veränderung von iPP durch Änderung der Induktivität kann nicht von einer Änderung von iPP aufgrund eines veränderten ED unterschieden werden (eine Schaltung stellt die Schwelle unabhängig von der ED fest). - - IS = const* ITP
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. - - IS_ ITP beziehungsweise IS _ITPWM
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. - - IS = IL,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 RV 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. to kennzeichnet den Integrationsstart und
ist der Zeitpunkt, in dem die Messung begonnen wird.
ty ist der von der Schaltung ermittelte Meßwert. Die Integra
tion wird so lange ausgeführt, bis die Schwelle Q erreicht
wird. Das geschieht zum Zeitpunkt ty.
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 (14)
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 tx1
zwischen der abfallenden beziehungsweise an
steigenden Flanke (16) des Ansteuersignals
(13) und einem Schwellwert IS 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 tx2
zwischen zwei Schwellwertdurchgängen IS er
mittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Schwellwert IS = const.
gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Schwellwert IS =
k · ILMittel gewählt wird, wobei ILMittel ein
Spulenstrommittelwert und k als Verstärkungs
faktor mit KER sind.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Schwellwert IS = f
(Ipp) gewählt wird, wobei Ipp der Abstand der
Spitzenwerte Imin. und Imax. des Spulenstro
mes i(t) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Schwellwert IS = ILMit
tel + const. gewählt wird, wobei ILMittel 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 tx3,
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
IS1 und IS2 (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 ILMittel (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 IL,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 ty zwischen dem Inte grationsstart to und dem Erreichen des Integrationsschwellwertes.
Priority Applications (1)
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DE4443259A DE4443259A1 (de) | 1993-11-29 | 1994-11-23 | Verfahren zur Messung der Ankerlage |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4340631 | 1993-11-29 | ||
AT91094 | 1994-05-02 | ||
DE4443259A DE4443259A1 (de) | 1993-11-29 | 1994-11-23 | Verfahren zur Messung der Ankerlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4443259A1 true DE4443259A1 (de) | 1995-06-01 |
Family
ID=25594289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4443259A Withdrawn DE4443259A1 (de) | 1993-11-29 | 1994-11-23 | Verfahren zur Messung der Ankerlage |
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