EP3183455A1 - Verfahren zur steuerung einer hubkolbenpumpe und vorrichtung zur ausführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur steuerung einer hubkolbenpumpe und vorrichtung zur ausführung des verfahrens

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EP3183455A1
EP3183455A1 EP15759632.1A EP15759632A EP3183455A1 EP 3183455 A1 EP3183455 A1 EP 3183455A1 EP 15759632 A EP15759632 A EP 15759632A EP 3183455 A1 EP3183455 A1 EP 3183455A1
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EP
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armature
magnetic flux
electromagnet
voltage
magnetic
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Thomas Kramer
Martin Petzold
Jürgen Weber
Olaf OHLIGSCHLÄGER
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Thomas Magnete GmbH
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Technische Universitaet Dresden
Thomas Magnete GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a reciprocating pump according to the preamble of the first claim and a
  • Electromagnetically powered reciprocating pumps are used to deliver and meter fuel and reagents, are inexpensive to produce and can be operated because of their pulsating operation with adjustable flow rate, when the frequency of the pulses is changed.
  • Electromagnetically driven reciprocating pumps consist of an electromagnet and a fluidic displacement unit, in which the working fluid is sucked in, ejected and pressurized. Electromagnet and displacer unit are usually inseparable by common components
  • Electromagnet is chosen, is not a rod seal between the
  • Electromagnet and the displacer unit required.
  • the described energization causes a hard striking the
  • Magnetic anchor with correspondingly high noise and a low
  • Actuation of a fuel metering pump in which both electrical and fluid state variables are measured and the measured values are used to change the voltage at the electromagnet.
  • the document DE 10 2004 002 454 B4 describes a method for
  • the document DE 101 27 996 A1 describes a pump device and a control device, in which a measurement of the course of the
  • Coil current is closed to the position of the armature and position-dependent, the voltage is switched to decelerate the armature before reaching the end stop.
  • Reciprocating pump in particular changes in the supply voltage and the coil temperature, are insufficiently detected and taken into account, and this affects the quality of the control process.
  • the estimation method for the magnet armature stroke is not based on a mathematical model of the driving electromagnet, so that only a very rough estimate can be made, especially because of the nonlinear behavior of electromagnets.
  • This invention has as its object to describe a control of an electromagnetically driven reciprocating pump by
  • Magnetic anchor influenced.
  • the position of the armature should not be measured, but measured or calculated from other
  • State variables of the electromagnet are determined. Knowledge about essential properties of the electromagnet, in particular non-linear properties, should be determined prior to normal operation and stored in a suitable form in the controller.
  • the inventive method is a mathematical model of
  • the coil resistance is calculated from the voltage and the coil current.
  • the chained magnetic flux of the electromagnet can not be calculated simultaneously from the other state variables, it can only the first time derivative of the concatenated magnetic flux from the
  • the concatenated magnetic flux is preferably calculated from an initial value and its temporal first derivative by numerical integration, and with a sufficiently powerful processor, this can be done in real time, that is, during the magnetic lift.
  • the stroke of the magnet armature can, however, be taken more precisely and more quickly from a previously determined and stored table in which the stroke of the magnet armature as a function of the coil current and the chained one
  • Magnet flux is applied.
  • Such a table shows the strong but non-linear dependence of the chained magnetic flux as a function of the coil current from the variable air gap and thus from the magnet lift. While the use of this table is an estimation method and therefore inaccurate, the table takes into account the particular nonlinear properties of the electromagnet used, as recorded for the genus of this electromagnet in measurements on a test rig, and therefore allows a considerably higher
  • a further improvement in the estimation of the magnet armature stroke can be achieved by carrying out measurements on a test bench for different effective voltages and both possible directions of the voltage change at the magnet coil, thus creating and using different tables.
  • the nonlinear effects of saturation of the flow then flow Iron, magnetic hysteresis and eddy currents in the tables and thus in the estimation method.
  • Accuracy can be improved if necessary, if, in the calculation of the interlinked magnetic flux, the premagnetization of the armature and the iron yoke from the history of the time course of the
  • the iron yoke consists of the magnetic flux conducting components
  • Magnetic pole, housing and yoke, so together with the armature forms an approximately closed magnetic circuit, interrupted only by the air gap between the armature and the magnetic pole.
  • the effective voltage at the solenoid for example, by switching on or off or a suitable pulse width modulation or pulse width modulation by the
  • Effective voltage is understood to mean the average DC voltage having the same effect as the voltage generated by modulation.
  • Coil inductance causes the current to decay only slowly. The current can be measured, and it can be concluded on the interlinked magnetic flux.
  • the electrical control increases the effective voltage to a value that causes appropriate deceleration.
  • the invention is characterized in that as far as possible existing knowledge about the solenoid is used to make the most accurate estimate of Magnetankerhubs based on the timing of the coil current and the voltage.
  • Reciprocating pumps of the type described and their electrical controls are used for conveying and / or metering of fuels and reagents in vehicles and mobile work machines.
  • Fig. 1 shows the device consisting of reciprocating pump and electrical control
  • the device according to Fiq.1 consists of a reciprocating pump (1) and an electrical control (10), wherein the reciprocating pump from a
  • Electromagnet (2) and a by a spring (4) loaded displacer (3) Electromagnet (2) and a by a spring (4) loaded displacer (3).
  • the electromagnet is composed of a magnetic coil (5), an iron yoke (6) and a magnet armature (7).
  • a power supply (9) provides electrical power to the device, which voltage can vary within a predetermined range, for example between 9V and 16V.
  • Switching device (12) connected and in a measuring device (13) the effective voltage and the resulting current are measured.
  • the solenoid is powered by the electrical controller (10) with pulsed electrical power, the electrical controller (10) also including a programmable logic processor (11).
  • the processor (1 1) calculates • the electrical resistance of the magnetic coil (5) from that of the
  • Measuring device (13) measured values of the electrical voltage and the electric current
  • the position of the magnet armature (7) is determined.
  • the calculation of the interlinked magnetic flux is improved by taking into account in the calculation of the interlinked magnetic flux the premagnetization of the armature (7) and the iron yoke (6) from the history of the time course of the interlinked magnetic flux by means of the initial value.
  • a further improvement in the estimation of the position of the armature (7) is achieved by applying different effective voltages and
  • Voltage changes to the solenoid coil (5) corresponding previously determined tables for different voltages and voltage changes, each with associated values of the electric current, the chained magnetic flux and the position of the armature (7) are used. Thereby the effects of the non-linearity of the material properties, the magnetic hysteresis and the eddy currents flow into the estimation process.
  • the determination of the chained magnetic flux in the electromagnet (2) is preferably carried out in the programmable logic processor (1 1) by a real-time running calculation of the electrical and magnetic state variables of the electromagnet by a numerical integration.
  • the current through the magnet coil decays only slowly due to the coil inductance. Also, the current through the magnetic coil of the measuring device (13) is measured and used on the calculation of the interlinked magnetic flux for determining the position of the armature, wherein for the
  • Voltage changes pre-calculated table is also included, which also contains the coil current and the chained magnetic flux.
  • the information about the position of the armature in the electrical control (10) is used to increase depending on the position of the armature, the effective mean voltage to the solenoid coil (5) and thus to decelerate the movement of the armature.

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Abstract

Aufgabe: Eine Steuerung einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe beeinflusst durch Schalten der den Elektromagneten beaufschlagenden Spannung in Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers die Geschwindigkeit des Magnetankers. Dabei soll die Lage des Magnetankers nicht gemessen, sondern aus Zustandsgrößen des Elektromagneten bestimmt werden. Lösung: Ein Prozessor (11) berechnet den elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) aus den von der Messeinrichtung (13) gemessenen Werten der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms und berechnet die zeitliche Änderung des verketteten Magnetflusses in dem Elektromagneten (2) aus der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) und berechnet den verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) aus einem älteren Magnetfluss und der zeitlichen Änderung und bestimmt die Lage des Magnetankers (7) aus dem verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) und dem elektrischen Strom durch die Magnetspule (5) und schaltet in Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) die elektrische Spannung an der Magnetspule (5) mittels der Schalteinrichtung (12). Anwendung: Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art und ihre elektrischen Steuerungen werden zur Förderung und/oder Dosierung von Brennstoffen und Reagenzien in Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt.

Description

Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe und Vorrichtung zur
Ausführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und eine
Vorrichtung zur Nutzung des Verfahrens.
Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen werden zur Förderung und Dosierung von Brennstoffen und Reagenzien eingesetzt, sind kostengünstig herstellbar und können wegen ihrer pulsierenden Arbeitsweise mit einstellbarer Fördermenge betrieben werden, wenn die Frequenz der Pulse verändert wird.
Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen bestehen aus einem Elektromagneten und einer fluidischen Verdrängereinheit, in der das Arbeitsfluid angesaugt, ausgestoßen und unter Druck gesetzt wird. Elektromagnet und Verdrängereinheit sind meist durch gemeinsame Bauteile untrennbar
miteinander verbunden, und wenn die Bauform eines durchströmten
Elektromagneten gewählt wird, ist keine Stangendichtung zwischen dem
Elektromagneten und der Verdrängereinheit erforderlich.
Ein Nachteil der üblichen Betriebsweise dieser Hubkolbenpumpen liegt in der Bestromung der Magnetspule bis zum Ende der Bewegung des Magnetankers und zeitlich sogar darüber hinaus, was erforderlich ist, wenn ohne weitere Maßnahmen unter allen Betriebsbedingungen ein vollständiger Hub erreicht werden soll.
Die beschriebene Bestromung bewirkt ein hartes Anschlagen des
Magnetankers mit entsprechend hohem Geräusch und einen geringen
Wirkungsgrad des elektromagnetischen Antriebs.
Entsprechend ergibt sich auch ein hartes Anschlagen bei einer Rückkehr des Magnetankers in die Ruheposition, wenn die Rückstellfeder den Magnetanker bei abgeschaltetem Elektromagnet ungebremst zurückbewegt. Aus der Patentliteratur sind verschiedene Verfahren zur Behebung der genannten Nachteile bekannt, die aber teils sehr aufwändig und teils
unbefriedigend sind.
- Die Druckschrift DE 199 82 757 B4 beschreibt ein Verfahren zur
Ansteuerung einer Brennstoffdosierpumpe, bei dem sowohl elektrische als auch fluidische Zustandsgrößen gemessen werden und die Messwerte zur Veränderung der Spannung am Elektromagneten verwendet werden.
- Die Druckschrift DE 10 2004 002 454 B4 beschreibt ein Verfahren zum
Betreiben einer Dosierpumpe, bei dem ein Tastverhältnis für eine Modulation der Versorgungsspannung während eines Ansteuerintervalls verändert wird.
- Die Druckschrift DE 101 27 996 A1 beschreibt eine Pumpvorrichtung und eine Regelvorrichtung, bei der aus einer Messung des Verlaufs des
Spulenstroms auf die Lage des Magnetankers geschlossen wird und lageabhängig die Spannung geschaltet wird, um den Magnetanker vor Erreichen des Endanschlags abzubremsen.
Die bekannten Verfahren weisen alle mindestens die folgenden Nachteile auf:
- Die Änderungen der Umgebungsbedingungen der Steuerung und der
Hubkolbenpumpe, insbesondere Änderungen der Versorgungsspannung und der Spulentemperatur, werden unzureichend erfasst und berücksichtigt, und das beeinträchtigt die Qualität des Steuerverfahrens.
- Dem Schätzverfahren für den Magnetankerhub liegt kein mathematisches Modell des antreibenden Elektromagneten zugrunde, damit kann nur eine recht grobe Schätzung vorgenommen werden, vor allem wegen des nichtlinearen Verhaltens von Elektromagneten.
- Vorhandene Kenntnisse über den verwendeten Elektromagneten, die sich an einem Prüfstand mit vertretbarem Aufwand ermitteln lassen, werden nicht oder unzureichend erfasst und berücksichtigt, wodurch wiederum die Qualität des Steuerverfahrens leidet.
In der Dissertation„Entwurf von magnetischen Mini- und Mikroaktoren mit stark nichtlinearem Magnetkreis" von Dr. M. Kallenbach (TU Ilmenau) wird ein
Verfahren zur Schätzung einer Magnetposition aus Messwerten der Spannung, des Stroms und berechneten Werten des verketteten Magnetflusses
beschrieben, das auch für nichtlineare Magnetsysteme recht genaue Werte für die Magnetposition ermittelt. Eine Anwendung des Verfahrens auf die
Steuerung einer Hubkolbenpumpe wird nicht beschrieben.
Dieser Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Steuerung einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe zu beschreiben, die durch
Schalten der den Elektromagneten beaufschlagenden Spannung in
Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers die Geschwindigkeit des
Magnetankers beeinflusst. Dabei soll die Lage des Magnetankers nicht gemessen, sondern aus anderen gemessenen oder berechneten
Zustandsgrößen des Elektromagneten bestimmt werden. Kenntnisse über wesentliche Eigenschaften des Elektromagneten, insbesondere nichtlineare Eigenschaften, sollen vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb ermittelt und in geeigneter Form in der Steuerung abgelegt werden.
Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs und die weiteren Ansprüche beschrieben. Zwei
Nebenansprüche beschreiben die Vorrichtung zur Ausführung des
erfinderischen Verfahrens näher.
Dem erfinderischen Verfahren liegt ein mathematisches Modell des
antreibenden Elektromagneten zugrunde, darin wird das Zeitverhalten des Elektromagneten durch die Zustandsgrößen Spannung, Spulenstrom,
Spulenwiderstand, verketteter Magnetfluss, Magnetankergeschwindigkeit und Magnetankerweg beschrieben. Diese Zustandsgrößen sind bei einer simultanen Betrachtung voneinander unabhängig, aber dynamisch beeinflussen sie sich gegenseitig.
Während die Spannung und der Spulenstrom mittels einer Messeinrichtung gemessen werden, wird der Spulenwiderstand aus der Spannung und dem Spulenstrom berechnet. Der verkettete Magnetfluss des Elektromagneten kann nicht simultan aus den anderen Zustandsvariablen berechnet werden, es kann nur die erste zeitliche Ableitung des verketteten Magnetflusses aus der
Spannung, dem Spulenstrom und dem Spulenwiderstand simultan berechnet werden. Als verketteter Magnetfluss wird das Integral über die Durchtrittsfläche aller örtlichen magnetischen Flussdichten an dem aufgeschnitten gedachten Magnetkreis verstanden.
Der verkettete Magnetfluss wird vorzugsweise aus einem Anfangswert und seiner zeitlichen ersten Ableitung durch eine numerische Integration berechnet, und mit einem ausreichend leistungsfähigen Prozessor kann dies in Echtzeit, also während des Magnethubs, geschehen.
Alternativ zur numerischen Integration der Zustandsgrößen könnten andere mathematische Verfahren zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs dieser Zustandsgrößen auf der Basis vereinfachter linearer Modelle verwendet werden, die weniger Rechenleistung erfordern, aber weniger genau sind, weil lineare Modelle die wichtigen Nichtlinearitäten eines Elektromagneten nicht ausreichend abbilden können.
In dieser numerischen Integration könnten bei einer Kenntnis des verketteten Magnetflusses auch die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und der Hub des Magnetankers berechnet werden.
Genauer und schneller lässt sich der Hub des Magnetankers aber aus einer vorher ermittelten und abgespeicherten Tabelle entnehmen, in der der Hub des Magnetankers als Funktion des Spulenstroms und des verketteten
Magnetflusses aufgetragen ist. Eine solche Tabelle zeigt die starke, aber nichtlineare Abhängigkeit des verketteten Magnetflusses als Funktion des Spulenstroms von dem variablen Luftspalt und damit von dem Magnethub. Die Anwendung dieser Tabelle ist zwar ein Schätzverfahren und insofern mit Ungenauigkeiten behaftet, aber die Tabelle berücksichtigt die besonderen nichtlinearen Eigenschaften des verwendeten Elektromagneten, wie sie für die Gattung dieses Elektromagneten bei Messungen auf einem Prüfstand aufgenommen wurden, und ermöglicht deshalb eine erheblich höhere
Genauigkeit in der Gesamtheit.
Eine weitere Verbesserung der Schätzung des Magnetankerhubs erreicht man, wenn man für unterschiedliche wirksame Spannungen und beide möglichen Richtungen der Spannungsänderung an der Magnetspule jeweils Messungen auf einem Prüfstand vornimmt und damit unterschiedliche Tabellen erstellt und verwendet. Dabei fließen dann die nichtlinearen Wirkungen der Sättigung des Eisens, der Magnethysterese und der Wirbelströme in die Tabellen und damit in das Schätzverfahren ein.
Die Berechnung des verketteten Magnetflusses kann hinsichtlich ihrer
Genauigkeit bei Bedarf noch verbessert werden, wenn bei der Berechnung des verketteten Magnetflusses die Vormagnetisierung des Magnetankers und des Eisenrückschlusses aus der Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs des
verketteten Magnetflusses als Anfangswert der numerischen Integration berücksichtigt wird.
Der Eisenrückschluss besteht aus den magnetflussleitenden Bauteilen
Magnetpol, Gehäuse und Joch, bildet also zusammen mit dem Magnetanker einen annähernd geschlossenen Magnetkreis, unterbrochen nur durch den Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Magnetpol.
Bei einer Kenntnis des Hubs des Magnetankers kann die wirksame Spannung an der Magnetspule beispielsweise durch Ein- oder Abschalten oder eine geeignete Pulsweitenmodulation oder Pulsdauermodulation durch die
Steuerung so verändert werden, dass sowohl bei der Arbeitsbewegung als auch der Rückstellbewegung des Magnetankers der Magnetanker rechtzeitig vor dem Anschlagen an dem jeweiligen Endanschlag abgebremst wird. Als wirksame Spannung wird die mittlere Gleichspannung gleicher Wirkung wie die durch Modulation erzeugte Spannung verstanden.
Für den Rückhub des Magnetankers kann das beschriebene Berechnungs- und Schätzverfahren mit geringen Abwandlungen ebenfalls verwendet werden.
Auch beim Rückhub fließt Strom durch die Magnetspule, denn die
Spuleninduktivität lässt den Strom nur langsam abklingen. Der Strom kann gemessen werden, und es kann auf den verketteten Magnetfluss geschlossen werden.
Wenn der durch das beschriebene Verfahren geschätzte Magnetankerhub einen solchen Wert erreicht, der ein Abbremsen der Rückhubbewegung sinnvoll macht, erhöht die elektrische Steuerung die wirksame Spannung auf einen Wert, der eine geeignete Abbremsung bewirkt. Bei der Schätzung des Magnetankerhubs ist hier vorteilhafterweise eine Tabelle für den Hub, den Spulenstrom und den verketteten Magnetfluss zu verwenden, die bei entsprechend kleinen Spannungen und bei negativen
Spannungsänderungen ermittelt wurde. Damit kann das nichtlineare Verhalten der Magnetwerkstoffe angemessen berücksichtigt werden.
Zusammenfassend ist die Erfindung dadurch ausgezeichnet, dass so weit wie irgend möglich vorhandenes Wissen über den Elektromagneten genutzt wird, um eine möglichst genaue Schätzung des Magnetankerhubs anhand der zeitlichen Verläufe des Spulenstroms und der Spannung vorzunehmen.
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art und ihre elektrischen Steuerungen werden zur Förderung und/oder Dosierung von Brennstoffen und Reagenzien in Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt.
Bilder: Fig. 1 zeigt die Vorrichtung bestehend aus Hubkolbenpumpe und elektrischer Steuerung
Beispielhafte Ausführung
Die Vorrichtung gemäß Fiq.1 besteht aus einer Hubkolbenpumpe (1 ) und einer elektrischen Steuerung (10), wobei die Hubkolbenpumpe aus einem
Elektromagneten (2) und einem durch eine Feder (4) belasteten Verdränger (3) besteht.
Der Elektromagnet ist aus einer Magnetspule (5), einem Eisenrückschluss (6) und einem Magnetanker (7) aufgebaut.
Eine Spannungsversorgung (9) stellt der Vorrichtung elektrische Leistung zur Verfügung, wobei die Spannung in einem vorgegebenen Bereich schwanken kann, beispielsweise zwischen 9V und 16V.
In einer elektrischen Steuerung (10) wird die elektrische Spannung mittels einer
Schalteinrichtung (12) geschaltet und in einer Messeinrichtung (13) werden die wirksame Spannung und der sich ergebende Strom gemessen.
Die Magnetspule wird von der elektrischen Steuerung (10) mit gepulster elektrischer Leistung versorgt, wobei die elektrische Steuerung (10) auch einen speicherprogrammierbaren Prozessor (11 ) enthält.
Der Prozessor (1 1 ) berechnet • den elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) aus den von der
Messeinrichtung (13) gemessenen Werten der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms
• die zeitliche Änderung des verketteten Magnetflusses in dem
Elektromagneten (2) aus der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule (5)
• den verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) aus einem vorher berechneten oder geschätzten Magnetfluss und der zeitlichen Änderung
Mittels des Rechenwerts des verketteten Magnetflusses und dem gemessenen elektrischen Strom durch die Magnetspule (5) wird die Lage des Magnetankers (7) bestimmt.
In Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) wird die elektrische
Spannung an der Magnetspule (5) mittels der Schalteinrichtung (12) geschaltet.
Die Bestimmung der gegenwärtigen Lage des Magnetankers wird in der
Steuerung (11 ) aus mindestens einer vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Steuerung (10) berechneten und in der Steuerung (1 ) abgespeicherten Tabelle mit zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) durch ein Schätzverfahren vorgenommen.
Vorteilhafterweise wird die Berechnung des verketteten Magnetflusses verbessert, indem bei der Berechnung des verketteten Magnetflusses die Vormagnetisierung des Magnetankers (7) und des Eisenrückschlusses (6) aus der Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs des verketteten Magnetflusses mittels des Anfangswerts berücksichtigt wird.
Eine weitere Verbesserung der Schätzung der Lage des Magnetanker (7) wird erreicht, indem bei unterschiedlichen wirksamen Spannungen und
Spannungsänderungen an der Magnetspule (5) entsprechende vorher ermittelte Tabellen für unterschiedliche Spannungen und Spannungsänderungen mit jeweils zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) verwendet werden. Dadurch fließen dann die Wirkungen der Nichtlinearität der Materialeigenschaften, der Magnethysterese und der Wirbelströme in das Schätzverfahren ein. Die Bestimmung des verketteten Magnetflusses in dem Elektromagneten (2) erfolgt vorzugsweise in dem speicherprogrammierbaren Prozessor (1 1 ) durch eine in Echtzeit ablaufende Berechnung der elektrischen und magnetischen Zustandsgrößen des Elektromagneten durch eine numerische Integration.
In Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) wird, wenn erforderlich, in der elektrischen Steuerung (10) mittels der Schalteinrichtung (12) die
elektrische Spannung an der Magnetspule (5) abgeschaltet oder mehrfach aus- und eingeschaltet, so dass die wirksame Spannung im Sinne einer
Pulsweitenmodulation oder einer Pulsdauermodulation im Vergleich zur
Spannung einer Spannungsversorgung (9) im zeitlichen Mittel in ihrer Wirkung vermindert wird.
Damit kann bei der Vorwärtsbewegung des Magnetankers (7) gegen die Kraft der Feder (4) die Bewegung des Magnetankers so weit abgebremst werden, dass der Magnetanker nur noch mit einer sehr geringen Restgeschwindigkeit in seinen vorderen Anschlag fährt.
Bei der Rückstellung des Magnetankers (7) durch die Feder (4) klingt der Strom durch die Magnetspule aufgrund der Spuleninduktivität nur langsam ab. Auch dabei wird der Strom durch die Magnetspule von der Messeinrichtung (13) gemessen und über die Berechnung des verketteten Magnetflusses zur Bestimmung der Lage des Magnetankers genutzt, wobei für den
Magnetankerhub eine für kleine Spannungen und negative
Spannungsänderungen vorausberechnete Tabelle ausgewählt wird, die auch den Spulenstrom und den verketteten Magnetfluss enthält.
In dieser Betriebsart wird die Information über die Lage des Magnetankers in der elektrischen Steuerung (10) genutzt, um abhängig von der Lage des Magnetankers die wirksame mittlere Spannung an der Magnetspule (5) zu erhöhen und damit die Bewegung des Magnetankers abzubremsen. Liste der Bezugszeichen
1. Hubkolbenpumpe
2. Elektromagnet
3. Verdrängereinheit
4. Feder
5. Magnetspule
6. Eisenrückschluss
7. Magnetanker
9. Spannungsversorgung
10. Elektrische Steuerung
11. Speicherprogrammierbarer
12. Schalteinrichtung
13. Messeinrichtung

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe (1 ), bestehend aus einem Elektromagneten (2) und einer durch eine Feder (4) belasteten
Verdrängereinheit (3), wobei der Elektromagnet aus einer Magnetspule (5), einem Eisenrückschluss (6) und einem Magnetanker (7) aufgebaut ist, mittels einer elektrischen Steuerung (10), die einen speicherprogrammierbaren Prozessor (11 ), eine Schalteinrichtung (12) und eine Messeinrichtung (13) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (1 1 )
• den elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) aus den von der Messeinrichtung (13) gemessenen Werten der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms berechnet und
• die zeitliche Änderung des verketteten Magnetflusses in dem
Elektromagneten (2) aus der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) berechnet und
• den verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) aus einem vorher berechneten oder geschätzten Magnetfluss und der zeitlichen Änderung berechnet und
• die Lage des Magnetankers (7) aus dem berechneten verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) und dem gemessenen elektrischen Strom durch die Magnetspule (5) bestimmt und
• in Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) die wirksame elektrische Spannung an der Magnetspule (5) mittels der
Schalteinrichtung (12) beeinflusst.
2. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
aus einer vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Steuerung (10) durch Messungen und/oder Berechnungen ermittelten und in dem
Prozessor (1 1 ) abgespeicherten Tabelle mit zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) durch den Prozessor (1 1 ) in der Steuerung (10) die gegenwärtige Lage des Magnetankers (7) durch ein Schätzverfahren bestimmt wird.
3. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
die Berechnung des verketteten Magnetflusses verbessert wird, indem bei der Berechnung des verketteten Magnetflusses die Vormagnetisierung des Magnetankers (7) und des Eisenrückschlusses (6) aus der Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs des verketteten Magnetflusses bei der numerischen Integration mittels des Anfangswerts berücksichtigt wird.
4. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach einem der
Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass
die Schätzung der Lage des Magnetanker (7) verbessert wird, indem bei unterschiedlichen wirksamen Spannungen an der Magnetspule (5) der Spannung und/oder der Spannungsänderung entsprechende vorher ermittelte Tabellen mit jeweils zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) verwendet werden.
5. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach einem der
Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des verketteten Magnetflusses in dem Elektromagneten (2) durch eine in Echtzeit ablaufende numerische Integration von elektrischen und magnetischen Zustandsgrößen des Elektromagneten erfolgt.
6. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach einem der
Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Schalteinrichtung (12) die wirksame elektrische Spannung an der Magnetspule (5) in Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) einfach ausgeschaltet oder mehrfach aus- und eingeschaltet wird, so dass sie im Sinne einer durch Schalten bewirkten Modulation im Vergleich zur Spannung einer Spannungsversorgung (9) im zeitlichen Mittel in ihrer Wirkung vermindert wird.
7. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach einem der
Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Rückstellung des Magnetankers (7) durch die Feder (4) ein wegen der Spuleninduktivität langsam abklingender elektrischer Strom durch die Magnetspule von der Messeinrichtung (13) gemessen wird und über die Berechnung des verketteten Magnetflusses zur Bestimmung der Lage des Magnetankers genutzt wird, wobei eine entsprechend einer geringen wirksamen Spannung und einer negativen Spannungsänderung
ausgewählte vorausberechnete Tabelle mit zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des
Magnetankers (7) verwendet wird.
8. Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet dass
bei der Rückstellung des Magnetankers (7) durch die Feder (4) die
Information über die Lage des Magnetankers in der elektrischen Steuerung (10) genutzt wird, um abhängig von der Lage des Magnetankers die wirksame Spannung an der Magnetspule (5) zu erhöhen und damit die Bewegung des Magnetankers abzubremsen.
9. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung aus einer Hubkolbenpumpe (1 ) und einer elektrischen Steuerung (10) besteht und wobei die Hubkolbenpumpe aus einem Elektromagneten (2) und einer durch eine Feder (4) belasteten Verdrängereinheit (3) besteht, wobei der Elektromagnet aus einer
Magnetspule (5), einem Eisenrückschluss (6) und einem Magnetanker (7) aufgebaut ist, und wobei die elektrischen Steuerung (10) einen
speicherprogrammierbaren Prozessor (11 ), eine Schalteinrichtung (12) und eine Messeinrichtung (13) aufweist
dadurch gekennzeichnet, dass
der speicherprogrammierbare Prozessor (1 1 ) mindestens eine vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Steuerung (10) berechnete Tabelle enthält, mit zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom durch die Magnetspule (5), dem verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) und der Lage des Magnetankers (7), wobei diese Tabelle oder diese Tabellen dem Prozessor (1 1 ) ermöglichen, aufgrund einer Mehrzahl von Messungen des elektrischen Stroms mittels einer Messeinrichtung (13) die Lage des Magnetankers (7) durch ein Schätzverfahren zu bestimmen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Steuerung (10) mittels eines speicherprogrammierbaren Prozessors (1 1) und einer Schalteinrichtung (12) die wirksame mittlere elektrische Spannung an der Magnetspule (5) ankerhubabhängig relativ zur Spannung einer Spannungsversorgung (9) so absenkt, dass der Verlauf der Geschwindigkeit des Magnetankers in einer dem Prozessor (11 ) vorgegebenen Weise beeinflusst wird, wobei die Spannungsversorgung (9) elektrische Leistung an die Schalteinrichtung (12), darüber an die Messeinrichtung (13) und darüber an die Magnetspule (5) abgibt.
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