EP3323133A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum ermitteln einer position eines beweglichen ankers eines elektromagnetischen aktors - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum ermitteln einer position eines beweglichen ankers eines elektromagnetischen aktors

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Publication number
EP3323133A1
EP3323133A1 EP16732281.7A EP16732281A EP3323133A1 EP 3323133 A1 EP3323133 A1 EP 3323133A1 EP 16732281 A EP16732281 A EP 16732281A EP 3323133 A1 EP3323133 A1 EP 3323133A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
armature
frequency
voltage
current
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16732281.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Kirchner
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3323133A1 publication Critical patent/EP3323133A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the present invention relates to a method and a circuit arrangement for determining a position of an armature of an electromagnetic actuator, which is movable by means of driving a coil of the electromagnetic actuator.
  • Electromagnetic actuators with armature and coil, in which the armature is movable by the coil is energized are known. Frequently find such electromagnetic actuators in solenoid valves, eg. For hydraulic applications, use. In this case, such solenoid valves can be used as proportional valves by the coil bspw.
  • a mean current in the coil As a counter force to the magnetic force can be provided a spring, but, for example, another coil is conceivable.
  • measuring devices or methods are known in which one or more measuring coils are provided, in which a connected to the armature piston according to the Position of the armature is moved back and forth.
  • a signal from the measuring coils depends on the position of the piston relative to the measuring coils.
  • Such measuring devices or methods are known, for example, from DE 101 21 770 A1, DE 42 08 367 A1 or DE 197 24 076 A1.
  • a method according to the invention is used to determine a position of an armature of an electromagnetic actuator, which can be moved by energizing a coil of the electromagnetic actuator.
  • the position of the armature is determined taking into account a frequency of a vibrating signal in a vibratory electrical system, wherein the coil is used as a frequency-influencing element of the oscillatory electrical system.
  • the coil can be used as the only frequency-influencing element.
  • a voltage across the coil is alternately switched between two values when a resulting coil current reaches an upper and lower threshold, respectively, and as a frequency of the oscillating one Signal uses the switching frequency.
  • a supply voltage or a portion of the supply voltage and zero or a separate voltage supply can be used as the two values. This is a particularly simple way to realize such a vibratory system.
  • a measurement voltage corresponding to the coil current and a reference voltage are supplied to a comparator, and wherein the comparator is used to switch the voltage across the coil. This is an easy way to generate the alternating voltage.
  • the measuring voltage can be generated for example by a shunt resistor or a transimpedance amplifier.
  • the switching of the voltage at the coil takes place by means of a flip-flop circuit controlled by the coil current.
  • switches for example transistors, with which the alternating voltage is generated by capacitors which are alternately charged and discharged by the rising and falling coil current.
  • an alternating voltage can be generated in a simple manner and the frequency of the coil current can be tapped.
  • the position of the armature is determined from the frequency by an inductance of the frequency taking into account an ohmic resistance of the coil Coil and from this the position is determined.
  • the coil is used as the only frequency-influencing component.
  • the increase in the current in the coil when the voltage is applied and the drop in the current at zero voltage or separate power supply are dependent only on the ohmic resistance and the inductance of the coil.
  • the method is thus independent of
  • the ohmic resistance of the coil is determined by applying a predetermined, constant voltage to the coil and determining the coil current. If the ohmic resistance of the coil is not known, it can easily be determined by applying a predetermined, constant voltage to the coil and measuring the coil current. It should be noted that the control of the coil with the alternating voltage must be interrupted while the ohmic resistance is measured. In this way, a temperature of the coil, which has an effect on the ohmic resistance of the coil, can be taken into account in determining the position of the armature.
  • the switchover between alternating and constant voltage can also be coordinated with one another in such a way that immediately before the constant voltage is applied, a coil current is present which corresponds to a current which would be reached at somewhat less than the predetermined, constant voltage.
  • a coil current is present which corresponds to a current which would be reached at somewhat less than the predetermined, constant voltage.
  • This achieves the shortest possible measuring duration for the resistor, since the current does not have to settle for a long time. For example.
  • the position of the armature comprises a position corresponding to an end position of the armature without an armature moving energization of the coil.
  • the armature moving energization the voltage whose frequency is detected, is not affected, allowing a more accurate measurement is possible. In this way, it is very easy to check an end position of the armature.
  • the position of the armature can be determined very simply by comparing a measured frequency with a frequency which corresponds to an end position of the armature in the de-energized state.
  • the frequency corresponding to this end position of the armature can, for example, be determined and stored once for a solenoid valve.
  • a frequency of an end position can also be used when energized. It should be noted that this does not come into question solenoid valves whose safe state (eg. Closed) is present at fully energized coil. However, this is not the case for the vast majority of applications, since the safe state is usually the
  • a position of a component connected to the armature is determined from the position of the armature.
  • the exact position of the spool is often of interest in such solenoid valves.
  • the position of the armature makes it very easy to deduce the position of the component or spool by taking into account the geometrical dimensions.
  • a circuit arrangement according to the invention is used to determine a position of an armature of an electromagnetic actuator, which can be moved by energizing a coil of the electromagnetic actuator.
  • the circuit arrangement has drive means which are set up to control an oscillatory system having the coil as a frequency-influencing element, frequency detection means which are set up to determine a frequency with which a signal oscillates in the oscillatable system, and evaluation means which are adapted to determine from the frequency a position of the armature on.
  • the circuit arrangement can be constructed such that the coil is the only frequency-influencing element of the oscillatable electrical system.
  • the drive means are further configured to switch a voltage on the coil alternately between two values, taking into account a coil current.
  • a circuit arrangement is This is thus a kind of oscillator circuit in which the coil serves as a time-determining element.
  • the circuit arrangement preferably also has means in order to carry out a method according to the invention.
  • Figure 1 shows schematically a solenoid valve, in which a method according to the invention can be carried out.
  • Figure 2 shows schematically a circuit arrangement according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 3 shows, on the basis of voltage profiles, the generation of a voltage on a coil according to a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 4 shows the circuit arrangement from FIG. 2 in a more detailed representation.
  • FIGS. 5a and 5b show current curves in a coil of an electromagnetic actuator for various anchor positions in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • Figures 6a and 6b show voltage waveforms at a constant voltage on the coil in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 7 shows schematically a switching arrangement according to the invention in a further preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows a solenoid valve 101 in which a method according to the invention can be carried out.
  • the solenoid valve 101 which is in the present case designed as a proportional valve, has an electromagnetic actuator 101, which in turn has a coil 102 and an armature 103 movable therein.
  • a spool 104 is connected, which can be moved in a valve housing 106 back and forth.
  • the spool 104 is supported by a spring 105 against one end of the valve housing 106.
  • valve spool 104 causes a flow through the valve housing
  • 106 is set from a terminal A to a terminal B. It is understood that the connections of such a valve can also be configured differently. Likewise, more ports controlled by a valve spool may be present.
  • FIG. 2 schematically and simplified shows a circuit arrangement 200 according to the invention in a preferred embodiment.
  • the inductance L is shown here.
  • a voltage V2 created, which can switch between two values and vice versa.
  • the voltage V2 is presently switched off and on by drive means 210.
  • the control means 210 have for this purpose a comparator or comparator K2, which is supplied via a supply voltage V + and at whose non-inverting input a reference voltage UR is applied, which is generated via a voltage divider with the resistors R2 and R3 from a supply voltage V + and over a resistor R1 is fed back with its own output voltage.
  • the drive means 210 At the inverting input of the comparator K2 is applied via a resistor R37 to a measurement voltage Ui, which corresponds to a current flowing in the coil 102.
  • the drive means 210 generate in the manner of a Schmitt trigger a square wave signal, with the voltage V2 on and off.
  • FIG. 3 shows the generation of the voltage V2 on the basis of voltage curves.
  • a voltage U in relation to a time t are plotted in two diagrams.
  • the measuring voltage Ui which corresponds to the coil current in the coil 102, is via current detection means 220, which in the present case an operational amplifier K3 as
  • Transimpedance amplifier have detected.
  • the coil current I increases according to the formula over time t.
  • R L denotes the ohmic resistance of the coil 102. Reaches the coil current I or the corresponding measuring voltage Ui now, for example, at a time t- ⁇ an upper threshold U R, 2 and thus exceeds the measurement voltage Ui the reference voltage U R , as shown in the upper diagram of Figure 3, the voltage is at the coil by the comparator K2, for example, to zero or ground and the coil current I falls off according to the formula U ⁇ t - R L ⁇
  • the voltage V2 at the coil is switched by the comparator K3 back to the previously applied voltage.
  • the magnitude of the hysteresis of the Schmitt trigger is defined by R1.
  • the frequency with which the coil current I or with which the voltage V2 applied to the coil is switched back and forth can, for example, with frequency detection means 260 at the output of the drive means 210 and the comparator K2 tapped and evaluation means 270 are supplied.
  • the position x of the armature 103 can now be determined indirectly from the frequency (for example, via the inductance L of the coil 102) or directly (for example, by comparison with reference values) in the evaluation means.
  • the frequency or an order of magnitude of the frequency can be adjusted by a suitable choice of the sizes of the components involved in the circuit arrangement approximately to a desired value.
  • the ultimately measured, exact value of the frequency of course depends on the inductance of the coil or the anchor position.
  • FIG. 4 shows the circuit arrangement 200 from FIG. 2 in more detail.
  • the voltage provided by the drive means 210 is here, for example, via a circuit 230 to the coil 102 out.
  • the circuit 230 acts to stabilize the voltage, in particular also over the temperature, and has an operational amplifier K5.
  • the voltage provided by the drive means 210 can be applied to the coil 102 via a switch (eg MOSFET) M1.
  • the diode D4 serves as a limitation of the negative Voltage and the diode D3 as prevention of a backfeed into the supply voltage when energizing the coil.
  • the operational amplifier K3 of the current detection means 220 also has a connection to the voltage supply V + via a voltage divider with the resistors R9 and R10.
  • a positive offset voltage is provided so that the operational amplifier K3 can work with a so-called “single supply” voltage supply (via the coil).
  • the current detection means 220 comprise a further operational amplifier K1.
  • further drive means 240 are provided which represent a simple output stage model and with which a constant voltage, for example 120 mV, can be applied to the coil 102.
  • a MOSFET M2 is provided which becomes conductive when the voltage on the coil is negative and thus protects the MOSFET M1 from excessive voltage.
  • a number of freewheeling diodes 260 are shown.
  • a MOSFET M3 is, if it is not energized, high impedance.
  • the coil current is then supplied by the amplifier K3. If the coil is positively energized, the coil current can be driven via the drain-source diode. When the coil is negatively energized, M3 becomes conductive. It can then pick up the coil current and protect the operational amplifier K3 from the negative input voltage.
  • FIG. 5 a shows current profiles in a coil of an electromagnetic actuator for different armature positions in a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a coil current I is applied over a time t.
  • the current curves ⁇ - ⁇ and l 2 correspond to coil currents for slightly different armature positions, here by way of example with a difference of approx. 0.2 mm.
  • the values of the current profiles oscillate, for example, between approximately 600 mA and approximately 400 mA. The period is, for example, at about 1.7 ms.
  • FIG. 6 a shows two voltage curves at constant voltage on the coil in a preferred embodiment of a method according to the invention. In this case, a voltage U is plotted against a time t.
  • the two curves U 3 and U 4 correspond to voltages as they are applied to the Stromerfas- means of the circuit arrangement when a constant voltage of, for example, 120 mV is applied.
  • the two curves U 3 and U 4 thus correspond to different coil currents and for different ohmic resistances of the coil.
  • the constant voltage is applied at an unfavorable time in relation to the current oscillation of the coil current, so that the current must first settle. This takes a certain amount of time.
  • FIG. 6b shows the current curves U ' 3 and U' 4 which correspond to the same resistors as in FIG. 6a, but the instant of application of the constant voltage of 120 mV is tuned to the oscillation of the current. This shows that this does not require a long settling time and therefore the resistance measurement can be done faster.
  • a resistance measurement lasts, for example, between 20 ms and 30 ms.
  • the last measured value can also be stored by an S & H circuit (Sample & Hold) and fed to the comparator, which synchronizes the measuring time, as a reference value. This is possible because a change in temperature of the coil has only a very low dynamics.
  • FIG. 7 schematically shows a switching arrangement 300 according to the invention in a further preferred embodiment.
  • the coil 102 is shown here with its inductance L, its ohmic, series resistance R L , its ohmic, parallel resistance R ' L and their capacitance C L.
  • the voltage supply of the coil 102 takes place here via a voltage source V1, which is switched back and forth between two values via control means 310, which here have a flip-flop circuit.
  • the flip-flop has for this purpose two transistors Q12 and Q1 1, which are controlled by capacitors C1 1 and C12. Depending on the current coil current I, the capacitors are charged and discharged so that the associated transistors switch.
  • This circuit corresponds in principle to an astable multivibrator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position eines Ankers (103) eines Elektromagnetischen Aktors (101), der mittels Ansteuerung einer Spule (102) des Elektromagnetischen Aktors (101) bewegbar ist, wobei die Position (x) des Ankers (103) unter Berücksichtigung einer Frequenz eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt wird, und wobei die Spule (102) als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird, sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers (103) eines elektromagnetischen Aktors (101).

Description

Verfahren und Schaltunqsanordnunq zum Ermitteln einer Position eines beweglichen
Ankers eines elektromagnetischen Aktors
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Ansteuerung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist.
Stand der Technik
Elektromagnetische Aktoren mit Anker und Spule, bei denen der Anker bewegbar ist, indem die Spule bestromt wird, sind bekannt. Häufig finden solche elektromagnetischen Aktoren in Magnetventilen, bspw. für hydraulische Anwendungen, Verwendung. Dabei können solche Magnetventile als Proportionalventile verwendet werden, indem die Spule bspw.
pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Dabei stellt sich aufgrund der Induktivität ein mittlerer Strom in der Spule ein. Als Gegenkraft zur Magnetkraft kann dabei eine Feder vorsehen sein, jedoch ist bspw. auch eine weitere Spule denkbar.
Die tatsächliche Position des Ankers und somit eines bspw. an den Anker angebundenen Steuerschiebers oder dergleichen stimmt dabei jedoch oftmals nicht mit der aufgrund der Ansteuerung theoretisch vorgegebenen Position überein. Grund hierfür können bspw. Verschmutzungen oder unterschiedliche Drücke in den Hydraulikleitungen, die auf den Anker zurück wirken, sein.
Zu Ermittlung der tatsächlichen Position des Ankers oder eines angebundenen Steuerschiebers sind Messvorrichtungen bzw. -verfahren bekannt, bei denen eine oder mehrere Messspulen vorgesehen sind, in denen ein mit dem Anker verbundener Kolben entsprechend der Position des Ankers hin- und her bewegt wird. Ein Signal der Messspulen hängt dabei von der Position des Kolbens relativ zu den Messspulen ab. Solche Messvorrichtungen bzw. - verfahren sind bspw. aus der DE 101 21 770 A1 , der DE 42 08 367 A1 oder der DE 197 24 076 A1 bekannt.
Aus der DE 197 36 773 A1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem jedoch ein Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfelds der Spule verwendet wird. Das Verfahren beruht dabei auf der Tatsache, dass sich das durch die Spule erzeugte Magnetfeld abhängig von der Ankerposition ändert.
Weitere Verfahren zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors sind bspw. aus "Pawelczak, Dieter. 2005. Nutzung inhärenter Messeffekte von Aktoren und Methoden zur sensorlosen Positionsmessung im Betrieb. München, Univ. der Bundeswehr, Diss., 2005." bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers eines elektromagnetischen Aktors mit den Merkma- len der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist. Dazu wird die Position des Ankers unter Berücksichtigung einer Frequenz eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt, wobei die Spule als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird. Insbesondere kann die Spule dabei als einziges frequenzbeeinflussendes Element verwendet werden.
Eine nur geringe Verschiebung der Position des Ankers im elektromagnetischen Aktor erzeugt eine auch nur geringe Änderung des Stroms bzw. dessen Verlaufs in der Spule. Eine solche geringe Änderung ist zwar theoretisch messbar, jedoch ist dies praktisch kaum durchzuführen, da eine Auflösung von geeigneten Abtastungsvorrichtungen in der Regel hierzu nicht ausreicht. Die Erfindung macht sich nun zunutze, dass sich eine solche geringe Änderung des Stroms jedoch in der Frequenz des Stromverlaufs und somit der Frequenz des schwingfähigen Systems bemerkbar macht, da sich die Änderungen jeder Periode aufaddieren und somit leichter messbar sind. Insbesondere kann auf diese Weise auch die Spule des Elektromagnetischen Aktors selbst zu Bestimmung der Position des Ankers verwendet werden und es ist keine zusätzliche Messvorrichtung nötig. Dadurch werden Kosten eingespart.
Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Frequenz des schwingenden Signals in dem schwingfähigen elektrischen System eine Spannung an der Spule abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her bzw. umgeschaltet, wenn ein sich daraus ergebender Spulenstrom jeweils einen oberen bzw. unteren Schwellwert erreicht, und als Frequenz des schwingenden Signals die Schaltfrequenz verwendet. Als die beiden Werte können dabei im einfachsten Fall eine Versorgungsspannung oder ein Anteil der Versorgungsspannung und Null bzw. eine getrennte Spannungsversorgung verwendet werden. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, ein solches schwingfähiges System zu realisieren. Es ist von Vorteil, wenn eine dem Spulenstrom entsprechende Messspannung und eine Referenzspannung einem Komparator zugeführt werden, und wobei der Komparator zum Umschalten der Spannung an der Spule verwendet wird. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die alternierende Spannung zu erzeugen. Die Messspannung kann beispielsweise durch einen Shuntwiderstand oder einen Transimpedanzverstärker erzeugt werden.
Alternativ zum Komparator erfolgt das Umschalten der Spannung an der Spule mittels einer durch den Spulenstrom gesteuerten Kippschaltung. Hierzu können Schalter wie bspw. Transistoren verwendet werden, mit denen durch Kondensatoren, die durch den ansteigenden und abfallenden Spulenstrom abwechselnd geladen und entladen werden, die alternierende Spannung erzeugt wird. Auch hiermit können auf einfache Weise eine alternierende Spannung erzeugt und die Frequenz des Spulenstroms abgegriffen werden.
Vorzugsweise wird aus der Frequenz die Position des Ankers ermittelt, indem aus der Frequenz unter Berücksichtigung eines ohmschen Widerstands der Spule eine Induktivität der Spule und aus dieser die Position ermittelt wird. Dies ist insbesondere möglich, wenn die Spule als einziges frequenzbeeinflussendes Bauteil verwendet wird. Der Anstieg des Stroms in der Spule bei anliegender Spannung und der Abfall des Stroms bei Spannung Null bzw. getrennter Spannungsversorgung sind dabei nur vom ohmschen Widerstand und der Induk- tivität der Spule abhängig. Insbesondere ist das Verfahren somit auch unabhängig von
Schwankungen in der Versorgungsspannung. Je höher die Induktivität ist, desto langsamer ist bspw. der Anstieg. Über die Frequenz kann somit, bei bekanntem ohmschen Widerstand, auf die Induktivität der Spule geschlossen werden. Die Induktivität wiederum ist abhängig von der Position des Ankers relativ zur Spule. Der Zusammenhang zwischen Induktivität und Position des Ankers kann dabei bspw. in einer entsprechenden Tabelle hinterlegt sein. Dies stellt somit eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung der Position des Ankers dar. Für eine detaillierte Erläuterung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Vorteilhafterweise wird der ohmsche Widerstand der Spule durch Anlegen einer vorbestimm- ten, konstanten Spannung an die Spule und Ermittlung des Spulenstroms ermittelt. Wenn der ohmsche Widerstand der Spule nicht bekannt ist, so kann er auf einfache Weise bestimmt werden, indem eine vorbestimmte, konstante Spannung an die Spule angelegt und der Spulenstrom gemessen wird. Dabei ist zu beachten, dass die Ansteuerung der Spule mit der alternierenden Spannung unterbrochen werden muss, während der ohmsche Widerstand gemessen wird. Auf diese Weise kann auch eine Temperatur der Spule, die sich auf den ohmschen Widerstand der Spule auswirkt, bei der Ermittlung der Position des Ankers berücksichtigt werden. Bevorzugt kann dabei auch die Umschaltung zwischen alternierender und konstanter Spannung so aufeinander abgestimmt werden, dass unmittelbar vor Anlegen der konstanten Spannung ein Spulenstrom vorliegt, der einem Strom entspricht, der bei et- was geringerer als der vorbestimmten, konstanten Spannung erreicht würde. Damit wird eine möglichst kurze Messdauer für den Widerstand erreicht, da sich der Strom nicht lange einschwingen muss. Bspw. kann bei einer vorbestimmten Spannung von 130 mV ein Strom in der Spule abgewartet werden, der in etwa 100 mV konstanter Spannung entspräche. Vorteilhafterweise umfasst die Position des Ankers eine Position, die einer Endstellung des Ankers ohne eine den Anker bewegende Bestromung der Spule entspricht. Ohne eine solche, den Anker bewegende Bestromung, wird die Spannung, deren Frequenz ermittelt wird, nicht beeinflusst, wodurch eine genauere Messung möglich ist. Auf diese Weise kann sehr einfach eine Endstellung des Ankers überprüft werden. Zudem kann hier aus der Frequenz die Position des Ankers sehr einfach dadurch ermittelt werden, dass eine gemessene Frequenz mit einer Frequenz, die einer Endstellung des Ankers im unbestromten Zustand entspricht, verglichen wird. Die dieser Endstellung des Ankers entsprechende Frequenz kann dabei bspw. für ein Magnetventil einmalig ermittelt und hinterlegt werden. Weiterhin kann auch eine Frequenz einer Endstellung bei bestromtem Zustand herangezogen werden. Dabei sei angemerkt, dass hierfür keine Magnetventile in Frage kommen, deren sicherer Zustand (bspw. geschlossen) bei voll bestromter Spule vorliegt. Dies ist jedoch für die allermeisten Anwendungsfälle nicht der Fall, da der sichere Zustand in der Regel der
unbestromte Zustand ist.
Vorzugsweise wird aus der Position des Ankers eine Position einer mit dem Anker verbundenen Komponente ermittelt. Insbesondere wird der elektromagnetische Aktor zum Steuern eines Magnetventils, insbesondere eines Proportional-Magnetventils, weiter insbesondere für hydraulische Anwendungen, wobei der Anker mit einem Steuerschieber verbunden ist, ver- wendet, und dabei aus der Position des Ankers eine Position des Steuerschiebers ermittelt. Wie bereits eingangs erwähnt, ist bei solchen Magnetventilen oftmals die genaue Position des Steuerschiebers von Interesse. Aus der Position des Ankers kann sehr einfach auf die Position der Komponente oder des Steuerschiebers geschlossen werden, indem die geometrischen Abmessungen berücksichtigt werden.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Ermitteln einer Position eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors, der mittels Bestromung einer Spule des elektromagnetischen Aktors bewegbar ist. Die Schaltungsanordnung weist dabei Ansteuermittel, die dazu eingerichtet sind, ein die Spule als ein frequenzbeeinflussendes Element aufweisendes schwingfähiges System anzusteuern, Frequenzerfassungsmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Frequenz, mit der ein Signal in dem schwingfähigen System schwingt, zu ermitteln, und Auswertemittel, die dazu eingerichtet sind, aus der Frequenz eine Position des Ankers zu ermitteln, auf. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung derart aufgebaut sein, dass die Spule das einzige frequenzbeeinflussende Element des schwingfähigen elektrischen Sys- tems ist.
Es ist von Vorteil, wenn die Ansteuermittel weiterhin dazu eingerichtet sind, unter Berücksichtigung eines Spulenstroms eine Spannung an der Spule abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her bzw. umzuschalten. Bei einer solchen Schaltungsanordnung handelt es sich somit um eine Art Oszillatorbeschaltung, bei der die Spule als zeitbestimmendes Element dient.
Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung auch Mittel auf, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Bzgl. der Vorteile einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und deren erfindungsgemäßer Verwendung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch ein Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 3 zeigt anhand von Spannungsverläufen die Erzeugung einer Spannung an einer Spule nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 4 zeigt die Schaltungsanordnung aus Figur 2 in einer detaillierteren Darstellung. Figuren 5a und 5b zeigen Stromverläufe in einer Spule eines elektromagnetischen Aktors für verschiedene Ankerpositionen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figuren 6a und 6b zeigen Spannungsverläufe bei konstanter Spannung an der Spule bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltanordnung in einer weiteren be- vorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist schematisch ein Magnetventil 101 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 101 , das vorliegend als Proportionalventil ausgebildet ist, weist einen elektromagnetischen Aktor 101 auf, welcher wiederum eine Spule 102 und einen darin beweglichen Anker 103 aufweist.
Mit dem Anker 103 ist ein Steuerschieber 104 verbunden, der in einem Ventilgehäuse 106 hin und her bewegt werden kann. Der Steuerschieber 104 ist mittels einer Feder 105 gegen ein Ende des Ventilgehäuses 106 abgestützt. Durch Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 101 wird der Anker 103 bewegt und somit der Ventilschieber 104 gegen die Feder
105 gedrückt. Auf diese Weise lässt sich die Position x des Ankers 103 bzw. des Ventilschiebers 104 verändern. Dazu kann die Ansteuerung der Spule 102 bspw. (über hier nicht gezeigte Anschlüsse) pulsweitenmoduliert erfolgen.
Durch die Bewegung des Ventilschiebers 104 wird ein Durchfluss durch das Ventilgehäuse
106 von einem Anschluss A zu einem Anschluss B eingestellt. Es versteht sich, dass die Anschlüsse eines solchen Ventils auch anders ausgestaltet sein können. Ebenso können mehr Anschlüsse, die von einem Ventilschieber gesteuert werden, vorhanden sein.
In Figur 2 ist schematisch und vereinfacht eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 200 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Für die Spule 102 ist vorliegend nur deren Induktivität L dargestellt. An die Spule 102 wird über einen Widerstand R35 eine Spannung V2 angelegt, die zwischen zwei Werten hin und her wechseln bzw. umgeschaltet werden kann.
Die Spannung V2 wird vorliegend durch Ansteuermittel 210 aus- und eingeschaltet. Die An- steuermittel 210 weisen dazu einen Komparator oder Vergleicher K2 auf, der über eine Versorgungsspannung V+ versorgt wird und an dessen nicht invertierendem Eingang eine Referenzspannung UR anliegt, die über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R2 und R3 von einer Versorgungsspannung V+ erzeugt wird und über einen Widerstand R1 mit seiner eigenen Ausgangsspannung rückgekoppelt ist.
Am invertierenden Eingang des Komparators K2 liegt über einen Widerstand R37 eine Messspannung Ui an, die einem Strom, der in der Spule 102 fließt entspricht. Auf diese Weise erzeugen die Ansteuermittel 210 in Art eines Schmitt-Triggers ein Rechtecksignal, mit die Spannung V2 ein- und ausgeschaltet wird.
In Figur 3 ist die Erzeugung der Spannung V2 anhand von Spannungsverläufen dargestellt. Dabei sind in zwei Diagrammen jeweils eine Spannung U gegenüber einer Zeit t aufgetragen. Die Messspannung Ui, die dem Spulenstrom in der Spule 102 entspricht, wird dabei über Stromerfassungsmittel 220, die vorliegend einen Operationsverstärker K3 als
Transimpedanzverstärker aufweisen, ermittelt.
Wenn nun bspw. initial zu einem Zeitpunkt t0 eine Spannung U an die Spule 102 angelegt wird, so steigt der Spulenstrom I gemäß der Formel über der Zeit t an. RL bezeichnet dabei den ohmschen Widerstand der Spule 102. Erreicht der Spulenstrom I bzw. die diesem entsprechende Messspannung Ui nun bspw. zu einem Zeitpunkt t-ι einen oberen Schwellwert UR,2 und übersteigt somit die Messspannung Ui die Referenzspannung UR, wie im oberen Diagramm der Figur 3 gezeigt, so wird die Spannung an der Spule durch den Komparator K2 bspw. auf Null bzw. Masse geschaltet und der Spulenstrom I fällt ab gemäß der Formel U Γ t - RL ~
!(!) =— e p ■
KL L L J
Nachdem der Spulenstrom I bzw. die diesem entsprechende Messspannung Ui nun bspw. zu einem Zeitpunkt t2 einen unteren Schwellwert UR 1 erreicht hat und somit die Messspannung Ui die nun niedrigere Referenzspannung UR (die Referenzspannung hängt von der Ausgangsspannung des Komparators ab) unterschreitet, so wird die Spannung V2 an der Spule durch den Komparator K3 wieder auf die vorher anliegende Spannung geschaltet. Zur Figur 3 sei angemerkt, dass die Referenzspannung UR mit den beiden Grenzwerten UR 1 und UR 2 hier um die halbe Versorgungsspannung V+ pendelt, wenn die beiden Widerstände R2 und R3 gleich groß gewählt werden. Die Größe der Hysterese des Schmitt-Triggers wird durch R1 definiert.
Die Frequenz, mit der der Spulenstrom I bzw. mit der die an der Spule anliegende Spannung V2 hin und her geschaltet wird, kann bspw. mit Frequenzerfassungsmitteln 260 am Ausgang der Ansteuermittel 210 bzw. des Komparators K2 abgegriffen und Auswertemitteln 270 zugeführt werden. In den Auswertemitteln kann nun aus der Frequenz mittelbar (z.B. über die Induktivität L der Spule 102) oder unmittelbar (z.B. durch Vergleich mit Referenzwerten) die Position x des Ankers 103 ermittelt werden.
Die Frequenz oder eine Größenordnung der Frequenz kann dabei durch geeignete Wahl der Größen der an der Schaltungsanordnung beteiligten Bauteile in etwa auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Der letztlich gemessene, genaue Wert der Frequenz hängt dabei natürlich von der Induktivität der Spule bzw. der Ankerposition ab.
In Figur 4 ist die Schaltungsanordnung 200 aus Figur 2 detaillierter dargestellt. Die von den Ansteuermitteln 210 bereitgestellte Spannung wird hier bspw. über eine Schaltung 230 an die Spule 102 geführt. Die Schaltung 230 wirkt dabei Spannungsstabilisierend, insbesondere auch über der Temperatur, und weist einen Operationsverstärker K5 auf. Über einen Schalter (z.B. MOSFET) M1 kann dabei die von den Ansteuermitteln 210 bereitgestellte Spannung an die Spule 102 angelegt werden. Die Diode D4 dient dabei als Begrenzung der negativen Spannung und die Diode D3 als Verhinderung einer Rückspeisung in die Versorgungsspannung bei Bestromung der Spule.
Der Operationsverstärker K3 der Stromerfassungsmittel 220 weist hier neben einem An- schluss an die Spule 102 noch einen Anschluss an die Spannungsversorgung V+ über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R9 und R10 auf. Damit wird eine positive Offsetspannung zur Verfügung gestellt, damit der Operationsverstärker K3 mit einer sog. "Single supply"-Spannungsversorgung (über die Spule) arbeiten kann. Weiterhin weisen die Stromerfassungsmittel 220 einen weiteren Operationsverstärker K1 auf.
Weiterhin sind weitere Ansteuermittel 240 vorgesehen, die ein einfaches Endstufenmodell darstellen und womit eine konstante Spannung, bspw. 120 mV, an die Spule 102 angelegt werden kann. Weiterhin ist ein MOSFET M2 vorgesehen, der bei negativer Spannung an der Spule leitend wird und damit den MOSFET M1 vor zu hoher Spannung schützt. Weiterhin ist eine Reihe von Freilaufdioden 260 gezeigt.
Ein MOSFET M3 ist, wenn er nicht bestromt wird, hochohmig. Der Spulenstrom wird dann vom Verstärker K3 geliefert. Wenn die Spule positiv bestromt wird, kann der Spulenstrom über die Drain-Source Diode getrieben werden. Wenn die Spule negativ bestromt wird, wird M3 leitend. Er kann dann den Spulenstrom aufnehmen und schützt den Operationsverstärker K3 vor der negativen Eingangsspannung.
Die übrigen in der Figur 4 gezeigten und noch nicht erwähnten Widerstände und Kondensatoren, die nicht mit einem Bezugszeichen versehen sind, können dabei geeignet gewählt werden. Dabei ist insbesondere hervorzuheben, dass die in der Schaltungsanordnung 200 gezeigten Kondensatoren lediglich einer Begrenzung der Bandbreite der Operationsverstärker oder Komparatoren dienen und nicht die Frequenz des oszillierenden Spulenstromes beeinflussen. In Figur 5a sind Stromverläufe in einer Spule eines elektromagnetischen Aktors für verschiedene Ankerpositionen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist ein Spulenstrom I über einer Zeit t aufgetragen. Die Stromverläufe \-\ und l2 entsprechen dabei Spulenströmen für geringfügig unterschiedliche Ankerpositionen, hier beispielhaft mit einem Unterschied von ca. 0,2mm. Die Werte der Stromverläufe oszillieren dabei bspw. zwischen ca. 600 mA und ca. 400 mA. Die Periodendauer liegt bspw. bei etwa 1 ,7 ms.
Hierbei ist zu sehen, dass die Verläufe zwar unterschiedlich sind, jedoch mit einer Abtastung nur schwierig zu unterscheiden sind.
In Figur 5b sind nun die gleichen Stromverläufe wieder gezeigt, jedoch über einen längeren Zeitraum, bspw. in etwa 100 ms. Dabei ist deutlich zu sehen, dass die beiden Stromverläufe l-i und l2 mit der Zeit auseinanderlaufen, was an deren unterschiedlichen Frequenzen liegt. Dies zeigt, dass aus der Frequenz auch eine geringe Verschiebung der Ankerposition ermittelt werden kann. In Figur 6a sind zwei Spannungsverläufe bei konstanter Spannung an der Spule bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei ist eine Spannung U gegenüber einer Zeit t aufgetragen.
Die beiden Verläufe U3 und U4 entsprechen dabei Spannungen, wie sie an den Stromerfas- sungsmitteln der Schaltungsanordnung anliegen, wenn eine konstante Spannung von bspw. 120 mV angelegt wird. Die beiden Verläufe U3 und U4 entsprechen somit verschiedenen Spulenströmen und zwar für unterschiedliche ohmsche Widerstände der Spule.
Im hier gezeigten Fall ist zu sehen, dass die konstante Spannung zu einem ungünstigen Zeitpunkt in Bezug auf die aktuelle Schwingung des Spulenstroms angelegt wird, so dass sich der Strom erst einschwingen muss. Dies nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch.
In Figur 6b sind nun die Stromverläufe U'3 und U'4 gezeigt, die denselben Widerständen wie bei Figur 6a entsprechen, jedoch ist der Zeitpunkt des Anlegens der konstanten Spannung von 120 mV auf die Schwingung des Stroms abgestimmt. Dies zeigt, dass dadurch keine lange Einschwingzeit nötig ist und die Widerstandsmessung daher schneller erfolgen kann. Eine solche Widerstandsmessung dauert bspw. zwischen 20 ms und 30 ms. Bevorzugt kann der letzte Messwert auch durch eine S&H-Schaltung (Sample & Hold) gespeichert werden und dem Komparator, weicher den Messzeitpunkt synchronisiert, als Referenzwert zugeführt werden. Dies ist möglich, da eine Temperaturänderung der Spule nur eine sehr geringe Dynamik aufweist.
In Figur 7 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltanordnung 300 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Spule 102 ist hierbei mit ihrer Induktivität L, ihrem ohmschen, seriellen Widerstand RL, ihrem ohmschen, parallelen Widerstand R'L sowie ihrer Kapazität CL gezeigt.
Die Spannungsversorgung der Spule 102 erfolgt hier über eine Spannungsquelle V1 , die über Ansteuermittel 310, die hier eine Kippschaltung aufweisen, zwischen zwei Werten hin und her geschaltet wird. Die Kippschaltung weist hierzu zwei Transistoren Q12 und Q1 1 auf, die über Kondensatoren C1 1 bzw. C12 gesteuert werden. Je nach aktuellem Spulenstrom I werden die Kondensatoren geladen und entladen, so dass die zugehörigen Transistoren schalten. Diese Schaltung entspricht vom Prinzip her einem astabilen Multivibrator.
Die übrigen Bestandteile wie Frequenzerfassungsmittel und Auswertemittel sind hier nicht gezeigt, können jedoch, wie auch in Figur 2 gezeigt, einfach an geeigneter Stelle eingebun- den werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer Position eines beweglichen Ankers (103) eines elektromagnetischen Aktors (101 ), wobei der Anker mittels Bestromung einer Spule (102) des elektromagnetischen Aktors (101 ) bewegbar ist,
wobei die Position (x) des Ankers (103) unter Berücksichtigung einer Frequenz eines schwingenden Signals in einem schwingfähigen elektrischen System ermittelt wird, wobei die Spule (102) als ein frequenzbeeinflussendes Element des schwingfähigen elektrischen Systems verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zur Bestimmung der Frequenz des schwingenden Signals in dem schwingfähigen elektrischen System eine Spannung an der Spule (102) abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her geschaltet wird, wenn ein sich daraus ergebender Spulenstrom (I) jeweils einen oberen bzw. unteren Schwellwert erreicht, und als Fre- quenz des schwingenden Signals die Schaltfrequenz verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine dem Spulenstrom (I) entsprechende Messspannung (U|) und eine Referenzspannung (UR) einem Komparator (K2) zugeführt werden, und wobei der Komparator (K2) zum Umschalten der Spannung an der Spule (102) verwen- det wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Umschalten der Spannung an der Spule (102) mittels einer durch den Spulenstrom (I) gesteuerte Kippschaltung (310) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus der Frequenz die
Position (x) des Ankers (103) ermittelt wird, indem aus der Frequenz unter Berücksichtigung eines ohmschen Widerstands (RL) der Spule eine Induktivität (L) der Spule ermittelt wird, und aus der Induktivität (L) der Spule die Position (x) des Ankers (103) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der ohmsche Widerstand (RL) der Spule durch Anlegen einer vorbestimmten, konstanten Spannung an die Spule (102) und Ermittlung des Spulenstroms (I) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Position (x) des Ankers (103) eine Position umfasst, die einer Endstellung des Ankers (103) ohne eine den Anker (103) bewegende Bestromung der Spule (102) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus der Position (x) des Ankers (103) eine Position (χ') einer mit dem Anker (103) verbundenen Komponente (104) ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektromagnetische Aktor (101 ) zum Steuern eines Magnetventils (100), insbesondere eines Proportional-
Magnetventils, weiter insbesondere für hydraulische Anwendungen, bei dem der Anker (103) mit einem Steuerschieber (104) verbunden ist, verwendet wird, und wobei aus der Position (x) des Ankers (103) eine Position (χ') des Steuerschiebers (104) ermittelt wird.
10. Schaltungsanordnung (200, 300) zum Ermitteln einer Position (x) eines beweglichen Ankers (103) eines elektromagnetischen Aktors (101 ), der mittels Bestromung einer Spule (102) des elektromagnetischen Aktors (101 ) bewegbar ist, mit
Ansteuermitteln (210, 310), die dazu eingerichtet sind, ein die Spule (102) als ein frequenzbeeinflussendes Element aufweisendes schwingfähiges elektrisches System anzu- steuern,
Frequenzerfassungsmitteln (260), die dazu eingerichtet sind, eine Frequenz, mit der ein Signal in dem schwingfähigen System schwingt, zu ermitteln, und
Auswertemitteln (270), die dazu eingerichtet sind, aus der Frequenz eine Position (x) des Ankers (102) zu ermitteln.
1 1. Schaltungsanordnung (200, 300) nach Anspruch 10, wobei die Ansteuermittel weiterhin dazu eingerichtet sind, unter Berücksichtigung eines Spulenstromes (I) eine Spannung an der Spule (102) abwechselnd zwischen zwei Werten hin und her zu schalten.
12. Schaltungsanordnung (200, 300) nach Anspruch 1 1 , mit Stromerfassungsmitteln (220), die dazu eingerichtet sind, den Spulenstrom (I) zu erfassen.
13. Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 12, weiterhin mit weiteren Ansteuermitteln (240), die dazu eingerichtet sind, eine vorbestimmte, konstante Spannung an die Spule anzulegen.
14. Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Ansteuermittel (210) einen Komparator (K2) umfassen, der mit einem invertierenden Eingang an die Stromerfassungsmittel (220) angeschlossen ist und an dem an einem nicht invertierenden Eingang eine Referenzspannung (UR) anliegt.
15. Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Ansteuermittel (310) eine durch den Strom (I) in der Spule gesteuerte Kippschaltung umfassen.
16. Verwendung einer Schaltungsanordnung (200, 300) nach einem der Ansprüche 9 bis 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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