EP2340544B1 - Verfahren zur positionserfassung des magnetankers eines elektromagnetischen aktuators - Google Patents

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EP2340544B1
EP2340544B1 EP09782836A EP09782836A EP2340544B1 EP 2340544 B1 EP2340544 B1 EP 2340544B1 EP 09782836 A EP09782836 A EP 09782836A EP 09782836 A EP09782836 A EP 09782836A EP 2340544 B1 EP2340544 B1 EP 2340544B1
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magnet armature
electromagnetic actuator
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ZF Friedrichshafen AG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for position detection of the magnet armature of an electromagnetic actuator displaceably arranged between two coils according to the preamble of patent claim 1.
  • both coils are connected in series and there is a voltage jump on the arrangement, whereby the two coils form a voltage divider according to the known from measuring technology reactor coil principle. From the difference between the two voltages generated, the position of the armature can be determined. For example, if the armature is in the first coil, the voltage in the first coil at the beginning of the step response will be greater than the voltage in the second coil; from the ratio of the voltages to the magnet hub, a position-dependent path signal can be generated in a simple manner.
  • the Applicant an electromagnetic actuator and a method for driving the actuator known, wherein the actuator consists of an armature and two coils.
  • the actuator consists of an armature and two coils.
  • a third voltage profile is calculated from these measured data in a subtractor, from which a logic unit, the position of the armature slidably mounted between the coils is determined without the use of an additional sensor ,
  • the path signal generated in this way depends strongly on the height and the course of the voltage jump, which is neither constant nor has the same value in practice due to line losses or deviations of the vehicle electrical system voltage. Furthermore, the measured value is detrimentally falsified as the value for the timing of the detection after the voltage jump of temperature effects due to the ohmic component and magnetic saturation effects increases.
  • an electromagnetic drive system with integrated displacement signal generation comprising an electric motor, comprising a first subsystem with at least one permanent magnet and a second subsystem with a coil system, comprising at least two identical, successively arranged partial coils.
  • each subsystem forms the stator or the movable rotor;
  • a drive circuit is provided, which serves to generate a pulse width modulated control voltage with a constant pulse frequency and a constant switching voltage in the coil system.
  • the known system comprises an evaluation circuit which, by separately differentiating the voltage profiles over the partial coils and then subtracting or dividing the resulting new differentiated partial voltages at a constant time after the edge change in the pulse-width-modulated actuating signal a weg- or angle-proportional voltage value for the relative position between the derives first subsystem of the engine and the second subsystem.
  • the conception of the dual use of the drive windings eliminates the need for separate measuring systems for determining the position of the moving relative to the stationary subsystem of the drive system.
  • the present invention is based on the object, starting from the known prior art according to the DE 10 2005018012 A1 the Applicant a method for position detection of displaceable between two coils to provide arranged magnet armature of an electromagnetic actuator, by the implementation of a voltage independence of the measurement signal for the position of the armature is achieved.
  • the quotient of the difference between the two voltage values and the voltage jump is calculated from the measured data for the voltage profile at a specific point in time on both coils of the electromagnetic actuator.
  • each value of the quotient formed is assigned a specific armature stroke, whereby this unambiguous assignment can be determined by calculation, by means of a simulation or by means of tests.
  • the assignment of the armature stroke to the values of the quotient formed according to the invention is stored in the controller as a characteristic curve or as a function of the measurement time as a characteristic field.
  • FIG. 1 is a simplified illustrated schematic diagram of an electromagnetic actuator comprising a slidably disposed between two coils magnet armature shown.
  • the first coil of the actuator with 1 the second coil with 2 and the armature is denoted by 3.
  • the ohmic resistors associated with the coils are designated 4 and 5, respectively.
  • a voltage jump U B is applied to the series-connected coils 1, 2 of the actuator, whereby the two coils 1, 2 form a voltage divider according to the choke coil principle known from measurement technology.
  • the voltage U 1 at the first coil 1 and the voltage U 2 at the second coil 2 are preferably measured according to the invention at a predetermined time t_meas, from these measured data the normalized to the height of the voltage jump U B quotient of the difference .DELTA.U between both voltage values and the voltage jump U B is calculated.
  • a specific armature stroke is assigned to each value of the quotient formed according to the invention at each point in time t_meas, wherein this unambiguous assignment can be determined by calculation, by means of a simulation or by means of tests and stored in the control as a characteristic curve.
  • the measurement of the voltages U 1 and U 2 is carried out after the application of the voltage jump at the time at which the gradient of the voltage curve of the voltages at both coils assumes the value zero; this time corresponds to the upper part of the FIG. 2 shown time t_Mess; In this figure, the vertex of the voltage waveforms on both coils 1, 2 is designated A. In the lower part of the FIG. 2 the course of the current after the application of the voltage jump U B is shown as a function of the time t.
  • the inventive concept results in the advantage that the characteristic curve generated is independent of operating voltage fluctuations.
  • the definition of the optimum measuring time largely avoids temperature effects or magnetic saturation effects.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Bei derartigen Aktuatoren mit zwei Spulen ist bekannt, die Position des zwischen den Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Sensors zu erfassen. Zu diesem Zweck werden beide Spulen in Reihe geschaltet und es wird ein Spannungssprung auf die Anordnung gegeben, wodurch die beiden Spulen einen Spannungsteiler nach dem aus der Messtechnik bekannten Drosselspulenprinzip bilden. Aus der Differenz zwischen den beiden erzeugten Spannungen lässt sich die Position des Ankers bestimmen. Wenn sich beispielsweise der Magnetanker in der ersten Spule befindet wird die Spannung in der ersten Spule zu Beginn der Sprungantwort größer sein als die Spannung in der zweiten Spule; aus dem Verhältnis der Spannungen zum Magnethub auf, lässt sich auf einfache Weise ein positionsabhängiges Wegsignal generieren.
  • Beispielsweise ist aus der DE 10 2005018012 A1 der Anmelderin ein elektromagnetischer Aktuator sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Aktuators bekannt, wobei der Aktuator aus einem Anker und zwei Spulen besteht. Im Rahmen der DE 10 2005018012 A1 wird vorgeschlagen, während einer sprunghaft ansteigenden Bestromung den Spannungsverlauf an den beiden Spulen zu messen, wobei aus diesen Messdaten in einem Differenzbildner ein dritter Spannungsverlauf berechnet wird, aus welchem eine Logikeinheit die Position des zwischen den Spulen verschiebbar gelagerten Ankers ohne Verwendung eines zusätzlichen Sensors bestimmt wird.
  • Jedoch hängt das auf diese Weise generierte Wegsignal stark von der Höhe und vom Verlauf des Spannungssprungs ab, der aufgrund von Leitungsverlusten oder Abweichungen der Bordnetzspannung in der Praxis weder konstant ist noch den denselben Wert aufweist. Des weiteren wird der Messwert mit steigendem Wert für den Zeitpunkt der Messwerterfassung nach dem Spannungssprung von Temperatureffekten aufgrund des Ohmschen Anteils und von magnetischen Sättigungseffekten in nachteiliger Weise verfälscht.
  • Aus der DE19748647 C2 ist ein elektromagnetisches Antriebssystem mit integrierter Wegsignalerzeugung bekannt, mit einem Elektromotor, bestehend aus einem ersten Teilsystem mit mindestens einem Permanentmagneten und einem zweiten Teilsystem mit einem Spulensystem, umfassend mindestens zwei identische, hintereinander angeordnete Teilspulen. Bei dem bekannten System bildet jedes Teilsystem den Stator oder den beweglichen Läufer; ferner ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die der Erzeugung einer pulsweitenmodulierten Stellspannung mit konstanter Pulsfrequenz und einer konstanter Schaltspannung im Spulensystem dient. Das bekannte System umfasst eine Auswerteschaltung, die durch jeweils getrenntes Differenzieren der Spannungsverläufe über den Teilspulen und anschließendes Subtrahieren oder Dividieren der dabei entstehenden neuen differenzierten Teilspannungen zu einem jeweils konstanten Zeitpunkt nach dem Flankenwechsel im pulsweitenmodulierten Stellsignal einen weg- oder winkelproportionalen Spannungswert für die Relativposition zwischen dem ersten Teilsystem des Motors und dem zweiten Teilsystem ableitet. Durch die Konzeption der dualen Nutzung der Antriebswicklungen entfallen separate Meßsysteme für die Positionsbestimmung des bewegten gegenüber dem ortsfesten Teilsystem des Antriebssystems.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom bekannten Stand der Technik gemäß der DE 10 2005018012 A1 der Anmelderin ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, durch dessen Durchführung eine Spannungsunabhängigkeit des Messsignals für die Position des Magnetankers erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Demnach wird ein Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetankers eines elektromagnetischen Aktuators vorgeschlagen, im Rahmen dessen die Anordnung mittels eines Spannungssprungs sprunghaft bestromt wird und der Spannungsverlauf an den beiden Spulen gemessen wird, wobei aus diesen Messdaten für den Spannungsverlauf an beiden Spulen ein auf die Höhe des Spannungssprungs normierter Spannungsverlauf berechnet wird, der unabhängig von Spannungsschwankungen ist.
  • Erfindungsgemäß wird aus den Messdaten für den Spannungsverlauf zu einem bestimmten Zeitpunkt an beiden Spulen des elektromagnetischen Aktuators der auf die Höhe des Spannungssprungs normierte Quotient aus der Differenz zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung berechnet.
  • Hierbei wird erfindungsgemäß jedem Wert des gebildeten Quotienten ein bestimmter Ankerhub zugeordnet, wobei diese eineindeutige Zuordnung rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt werden kann.
  • Die Zuordnung des Ankerhubes zu den Werten des erfindungsgemäß gebildeten Quotienten wird in der Steuerung als Kennlinie bzw. in Abhängigkeit vom Messzeitpunkt als Kennfeld abgelegt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, die Messung der Spannungen an beiden Spulen zu dem Zeitpunkt nach der Bestromung des Aktuators durchzuführen, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen den Wert Null annimmt, d.h. an dem die Verläufe der Spannungen den Scheitelpunkt erreichen; aufgrund der Eigenschaften des Systems wird der Scheitelpunkt der Spannungsverläufe an beiden Spulen zum gleichen Zeitpunkt erreicht.
  • Dadurch werden unerwünschte Temperatureffekte sowie magnetische Sättigungseffekte vermieden, die auftreten, wenn der Messzeitpunkt der Spannungen an beiden Spulen größer ist als der Zeitpunkt des Erreichens des Scheitelpunktes.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Ein vereinfacht dargestelltes Prinzipschaubild eines elektromagnetischen Aktuators umfassend einen zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetanker; und
    Figur 2:
    Ein Diagramm, welches die Verläufe der Spannungen an den beiden Spulen des elektromagnetischen Aktuators nach dem Anlegen eines Spannungssprunges und den Verlauf des Stromes nach dem Anlegen eines Spannungssprunges als Funktion der Zeit darstellt.
  • In Figur 1 ist ein vereinfacht dargestelltes Prinzipschaubild eines elektromagnetischen Aktuators umfassend einen zwischen zwei Spulen verschiebbar angeordneten Magnetanker gezeigt. Hierbei ist die erste Spule des Aktuators mit 1, die zweite Spule mit 2 und der Magnetanker mit 3 bezeichnet. Die den Spulen zugeordneten ohmschen Widerstände sind mit 4 bzw. 5 bezeichnet.
  • Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf den oberen Teil der Figur 2 wird zur Positionserfassung des zwischen den Spulen 1, 2 verschiebbar angeordneten Magnetankers 3 ein Spannungssprung UB auf die in Reihe geschalteten Spulen 1, 2 des Aktuators gegeben, wodurch die beiden Spulen 1, 2 einen Spannungsteiler nach dem aus der Messtechnik bekannten Drosselspulenprinzip bilden. Die Spannung U1 an der ersten Spule 1 und die Spannung U2 an der zweiten Spule 2 werden gemäß der Erfindung vorzugsweise zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t_Mess gemessen, wobei aus diesen Messdaten der auf die Höhe des Spannungssprungs UB normierte Quotient aus der Differenz ΔU zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung UB berechnet wird. Die entsprechende Formel lautet: Δ ⁢ U / U B = U 1 - U 2 U 1 + U 2 .
    Figure imgb0001
  • Hierbei wird zu jedem Zeitpunkt t_Mess jedem Wert des erfindungsgemäß gebildeten Quotienten ein bestimmter Ankerhub zugeordnet, wobei diese eineindeutige Zuordnung rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt werden kann und in der Steuerung als Kennlinie abgelegt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messung der Spannungen U1 und U2 nach dem Anlegen des Spannungssprungs zu dem Zeitpunkt durchgeführt wird, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen den Wert Null annimmt; dieser Zeitpunkt entspricht dem im oberen Teil der Figur 2 gezeigten Zeitpunk t_Mess; in dieser Figur ist der Scheitelpunkt der Spannungsverläufe an beiden Spulen 1, 2 mit A bezeichnet. Im unteren Teil der Figur 2 ist der Verlauf des Stroms nach dem Anlegen des Spannungssprungs UB als Funktion der Zeit t dargestellt.
  • Die erfindungsgemäße Konzeption resultiert in dem Vorteil, dass die erzeugte Kennlinie unabhängig von Betriebsspannungsschwankungen ist. Zudem werden durch die Definition des optimalen Messzeitpunktes Temperatureffekte bzw. magnetische Sättigungseffekte weitgehend vermieden.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Spule
    2
    Spule
    3
    Magnetanker
    4
    ohmscher Widerstand
    5
    ohmscher Widerstand
    UB
    Spannungssprung
    U1
    Spannung an der Spule 1
    U2
    Spannung an der Spule 2
    t_Mess
    Messzeitpunkt
    l
    Strom
    t
    Zeit
    A
    Scheitelpunkt

Claims (4)

  1. Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, wobei ein Spannungssprung UB auf die in Reihe geschalteten Spulen (1, 2) des Aktuators gegeben wird, wodurch die beiden Spulen (1, 2) einen Spannungsteiler nach dem Drosselspulenprinzip bilden und wobei die Spannung U1 an der ersten Spule (1) und die Spannung U2 an der zweiten Spule (2) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messdaten für die Spannungen an den Spulen (1, 2) der auf die Höhe des Spannungssprungs UB normierte Quotient aus der Differenz ΔU zwischen beiden Spannungswerten und dem Spannungssprung UB berechnet wird, wobei jedem Wert des Quotienten ein bestimmter Ankerhub eineindeutig zugeordnet wird.
  2. Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eineindeutige Zuordnung der Werte des Quotienten zum Ankerhub rechnerisch, mittels einer Simulation oder mittels Versuchen ermittelt wird.
  3. Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Werte des Quotienten zum Ankerhub in der Steuerung als Kennlinie bzw. in Abhängigkeit vom Messzeitpunkt als Kennfeld abgelegt wird.
  4. Verfahren zur Positionserfassung des zwischen zwei Spulen (1, 2) verschiebbar angeordneten Magnetankers (3) eines elektromagnetischen Aktuators, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Spannungen an beiden Spulen (1, 2) zu dem Zeitpunkt t_Mess nach dem Anlegen des Spannungssprungs UB durchgeführt wird, an dem der Gradient des Spannungsverlaufs der Spannungen an beiden Spulen (1, 2) den Wert Null annimmt.
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