WO2008037464A1

WO2008037464A1 - Regeleinheit und verfahren zur regelung einer elektromagnetischen ventilanordnung

Info

Publication number: WO2008037464A1
Application number: PCT/EP2007/008398
Authority: WO
Inventors: Rudolf MÜHLENBEIN
Original assignee: Lucas Automotive Gmbh
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Also published as: DE102006045353A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine elektromagnetische Ventilanordnung mit einem Magnetkreis (110), der einen Stator (111) mit einer Ventilspule (LH) und einen beweglichen Anker aufweist. Die Ventilspule (LH) ist mit einer Regeleinheit (140) zu verbinden und ist von dieser mit regelbarem Steuerstrom beaufschlagbar. Ein beaufschlagter, regelbarer Steuerstrom erzeugt ein die Ventilspule (LH) umgebendes Magnetfeld, das eine auf den Anker wirkende Kraft hervorruft. Der Anker bewegt ein Ventilglied relativ zu dessen Ventilsitz. Die Ventilanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis eine Messwicklung (L12) aufweist. Die Messwicklung (L12) ist mit der Regeleinheit (140) zu verbinden. Die Messwicklung (L12) ist so in dem Magnetkreis angeordnet, dass sie von dem Magnetfeld zumindest teilweise durchsetzt ist, wobei eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Magnetfeld eine messbare Spannung in der Messwicklung (L12) induziert. Über den magnetischen Fluss kann auf die Stellung des Ankers geschlossen werden. Der Druck in einem Ventil kann somit geregelt werden.

Description

Reqeleinheit und Verfahren zur Regelung einer elektromagnetischen Ven- tilanordnung

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, eine Regeleinheit für eine elektromagne- tische Ventileinheit und ein Verfahren zur Regelung einer solchen elektromagnetischen Ventileinheit.

Stand der Technik

Die WO/2005/012056 zeigt eine elektrohydraulische Druckregelvorrichtung mit einem Stellgerät zum Regeln des Drucks. Für die Druckregelung ist ein Stellgerät zur Messung des Drucks vorgesehen. Die Druckregelvorrichtung bestimmt den Druck eines Fluids oder des an dem Stellgerät anliegenden Differenzdrucks, dadurch dass bei einer elektromagnetischen Anordnung durch Ansteuerung ihrer Erregerspule ein mechanisches Betätigungselement bewegbar ist. Eine Ventilbetätigungseinrichtung dient dabei zum Öffnen und Schließen des Stellgeräts. Das Betätigungselement übt auf die Ventilbetätigungseinrichtung eine mechanische Kraft zum Öffnen und/oder Schließen des Stellgeräts aus. Mit einem elektrischen Regelkreis wird die Position des Ventilbetätigungseinrichtung oder die magnetische Kraft geregelt, in dem die auf die Ventilbetätigungseinrichtung wirkende hydraulische Kraft durch Messung der auf das Betätigungselement wirkenden magnetischen Kraft elektrisch gemessen und daraus der Druck in der Fluidleitung und/oder die im Stellgerät vorliegende Druckdifferenz bestimmt wird. Dabei wird ein Ventilstößel von einer elektromagnetischen Anordnung axial bewegt, so dass die Stößelfläche abdichtend in einen Ventilsitz eingeführt wird. Die Kraft einer Feder, die auf dem Ventilsitz aufsitzt, wirkt auf den Ventilstößel. Die elektromagnetische Anordnung erzeugt eine entgegengesetzte Kraftkomponente. Am Ventilstößel wirkt

außerdem eine Strömungskraft, die sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit im engsten Querschnitt der Ventilanordnung ergibt. Weiterhin wirkt hier eine Druckkraft, die durch das Drücken der Flüssigkeit auf den Stößel entsteht, was zu einem Öffnen des Ventils führt. Die Kräfte am Ventilstößel werden mit einer Stößelhubregelung ausgeglichen, bei der ein Regler den Stößelhub konstant hält. Durch Messung des magnetischen Flusses über das Integral der induzierten Spannung wird die Druckdifferenz über dem Ventil qualitativ bestimmt.

Aus der WO 2006/056611 ist ein Magnetventil bekannt, bei dem der einem Ventilsitz zugewandte Anschlag einer Rückstellfeder mit einem Abstandshalter in Richtung eines Ankers zur Einstellung der Federkraft verschoben wird. Hierdurch kann bei gleichem magnetischen Fluss ein vorgegebener Bereich für den Luftspalt über die Serienfertigung der Ventile eingehalten werden. Zur Justage dieses Ventils wird während der Montage an Stelle einer Rückschlagventilplatte axial eine Montagevorrich- tung in das Gehäuse gefahren, welche in axialer Richtung einen Anschlag für den Ventilstößel darstellt und gleichzeitig die Möglichkeit der Verschiebung einer Anschlaghülse beinhaltet. Nun wird die vormontierte Baugruppe Anker/ Stöße! in das Gehäuse gesteckt, der Restluftspalt wird eingestellt und fertig verstemmt. Nun wird das Ventil geschaltet. Dabei wird das Stromsignal elektrisch ausgewertet und daraus eine Größe gebildet, welche als Maß für das Einschieben der Anschlaghülse herangezogen wird. Die Stromauswertung erfolgt entweder durch integrierende Messung der induzierten Spannung oder durch Messung des Spulenstroms nach dem Abschalten der Stromansteuerung. Dabei kann der Magnetfluss gemessen werden und nach diesem auch geregelt werden, weil die magnetische Kraft, welche im Gleichgewicht der Federkraft entspricht, direkt abhängig vom magnetischen Fluss ist.

Die EP 0 726 584 zeigt eine Steuerung eines Elektromagneten mit einem ortsfesten Kern, mit einer nach dem Einschalten vorübergehend stromdurchflossenen Anzugswicklung und mit einer im Betriebszustand stromdurchflossenen Haltewicklung. ReIa- tiv zum Kern ist unter Veränderung eines Luftspaltes ein Anker beweglich angeordnet. Mit der Anzugswicklung ist eine magnetisch beeinflussbare Schalteinrichtung in Reihe geschaltet, die die Stromversorgung der Anzugswicklung beim Verschwinden des Luftspaltes unterbricht. Die magnetisch beeinflussbare Schalteinrichtung hat eine beim offenen Luftspalt mit dem Magnetfeld des Elektro- magneten gekoppelte Sensorspule. Die Sensorspule schaltet mit der darin im Moment der Luftspaltschließung induzierten Spannungsspitze über eine elektronische Schaltanordnung einen mit der Anzugswicklung in Reihe geschalteten, steuerbaren Halbleiter hochohmig. Die Sensorspule ist aus einer um den Kern oder den Anker gelegten Windung gebildet. Die Sensorspule ist im Bereich des Luftspaltes neben dem Kern oder dem Anker angeordnet und mit dem Streufeld des Elektromagneten um den Luftspalt gekoppelt.

Die DE 35 25 199 Al zeigt einen induktiven Weggeber mit einer Messinduktivität und einem den Induktivitätswert der Messinduktivität verändernden Messelement. Die Messinduktivität und das Messelement sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Die Messinduktivität ist eine Ringspule mit einer Mittelöffnung. Die Ringspule ist an ihrem Außenumfang von Flussleitmitteln umschlossen ist. Die Flussleitmittel enden an der Mittelöffnung im wesentlichen radial nach innen zur Mittelöffnung hin. Dadurch verlaufen die magnetischen Feldlinien im wesentlichen in Radialrichtung über Luftspalte zum Messelement. Das aus magnetisch leitendem Material bestehende Messelement ist in der Mittelöffnung angeordnet ist und hat eine mindestens der Breite der Messinduktivität entsprechende Länge. Die Relativbewegung erfolgt im wesentlichen senkrecht zu den aus den Flussmitteln austretenden magnetischen Kraftlinien unter Änderung der Luftspalte. Alternativ dazu wird auch noch ein induktiver Weggeber mit einer Messinduktivität und einem den Induktivitätswert der Messinduktivität verändernden Messelement beschrieben. Die Messinduktivität und das Messelement sind relativ zueinander beweglich. Die Messinduktivität hat eine ringförmige Messspule mit zwei im Abstand angeordneten Polschuhen, über die der von der Messspule erzeugte magnetische Fluss verläuft. Das Messelement ist beim Messvorgang stets im Bereich der Polschuhe liegend vorgesehen und mit einer Fläche an den Polschuhen in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu den aus den PoI- schuhen austretenden magnetischen Feldlinien vorbeibewegbar. Bei dieser Vorbeibewegung tritt eine Änderung der beiden Luftspalte zwischen den Polschuhen und der Fläche des Messelements auf.

Die DE 100 10 756 Al zeigt ein Verfahren zur Regelung des Bewegungsverlaufs eines Ankers, der sich in einem elektromagnetischen Aktuator gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn von einem loslassenden Elektromagneten zu einem diesem gegenüberliegenden fangenden Elektromagneten bewegt. In einem Regelkreis wird eine vom Bewegungsverlauf des Ankers abhängige Detektorgröße erfasst. Daraus wird eine von der Ankerposition oder Zeit abhängige Größe als Regelgröße gebildet, die auf eine Führungsgröße geregelt wird durch Steuerung des Sollwertes eines durch den fangenden Elektromagneten fließenden Fangstroms. Der Verlauf der Führungsgröße wird in Abhängigkeit der Detektorgröße derart vorgegeben, dass der Anker mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit auf den fangenden Elektromagneten auftrifft. In einer zweiten Ausgestaltung wird der Fangstrom und als weitere Kompo- nente die Änderung des magnetischen Flusses im aktiven Magnetkreis als Detektorgröße erfasst. Die Änderung des magnetischen Flusses wird dabei mittels einer im aktiven Magnetkreis vorgesehenen Messspule erfasst. Mit der Messspule

lässt sich auch eine Spannung, die durch die Änderung des magnetischen Flusses in der Messspule induziert wird, als Detektorgröße erfassen. Aus der Detektorgröße wird die Regelgröße gebildet, die den Istwert des magnetischen Flusses oder der in - A -

der Messspule induzierten Spannung und den Istwert des Fangstroms als Komponenten enthält.

Die DE 103 32 595 zeigt eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines magneti- sehen Aktuators oder eines Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist. Eine Aufnahmeeinrichtung dient zur Erfassung einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers. Eine Regelungseinrichtung dient zum Steuern oder Regein der Bewegung des Ankers. Mit der Regelungseinrichtung ist die Beschleunigung des Ankers Steuer- oder regelbar. Die-Aufnahmeeinrichtung hat einen Wegsensor, aus dessen Signal durch Differenziation Geschwindigkeit oder Beschleunigung ableitbar. Der Wegsensor hat eine Spule, deren Strom gemessen und deren magnetischer Fluss aus dem Integral der induzierten Spannung bestimmt wird, so dass daraus die Position des Ankers ermittelbar ist. Eine Messspule dient zur Bestimmung des magnetischen Flusses, die an einer Antriebsspule des magnetischen Aktuators anbringbar und von dieser unab- hängig ist.

Aus der DE 195 44 207 Al ist ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktoren bekannt, bei dem der die Magnetkraft erzeugende magnetische Fluss oder der magnetische Fluss und der Strom durch die Erregerwicklung gemessen werden. Daraus werden die Bewegungsgrößen Ankerweg , -geschwindigkeit und/oder -beschleunigung errechnet und zur Messung der Aktorbewegung oder zur Regelung des Aktors mit bekannten Regelstrukturen verwendet werden. Der Fluss wird hier durch Integration der mittels Induktionsspulen in unmittelbarer Nähe des Arbeitsluftspaltes gemessen Induktionsspannung oder über die im Arbeitsluftspalt gemessene Flussdichte ermittelt.

Die DE 102 005 022 063 zeigt ein Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines Ventils mit einem mechanischen Schließelement. Das Schließelement wird mittels eines in einer Spule fliessenden elektrischen Stromes bewegt. Der elektrische Strom wird mittels eines pulsweitenmodulierten Signals erzeugt, das eine vorgegebene Periodendauer und ein einstellbares Tastverhältnis aufweist. Das Tastverhältnis wird mittels eines Tastverhältnissignals eingestellt, das sich additiv aus einem Grundanteil und einem Überlagerungsanteil mit einer Überlagerungsperiodendauer zusammen- setzt, innerhalb der das Tastverhältnissignal zwischen einem hohen und einem niedrigen Tastverhältniswert umgeschaltet wird. Der Grundanteil wird ermittelt, indem ein Messwert des in der Spule fliessenden elektrischen Stromes bestimmt und im Rah- men einer Regelung mit einem vorgebbaren Sollwert verglichen wird. Der Messwert wird einer Tiefpassfilterung unterzogen.

Elektromagnetische Ventile, wie sie beispielsweise in hydraulischen Bremssystemen für ABS/TC-Systeme zum Einsatz kommen, weisen also gewöhnlich einen Magnetkreis mit mindestens einer Ventilspule auf. Die Ventilspule wird von einer Regeleinheit mit einem pulsweitenmodulierten Steuerstrom beaufschiagt, mit dem Ziel, ein vordefiniertes Druckniveau im Bremssystem einzustellen.

Der hydraulische Druck in einem solchen Ventil kann in einer geschlossenen Regelschleife geregelt werden. Es ist außerdem möglich, den durch die Ventilspule erzeugten magnetischen Fluss mittels einer Hallsonde zu erfassen und diesen zu regeln.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Ein Problem bei der Druckregelung mit einer geschlossenen Regelschleife ist, dass dafür teure Drucksensoren benötigt werden, die die Kosten des ABS/TC-Systems erhöhen. Bei der Regelung des magnetischen Flusses mittels einer Hallsonde ist der Platzbedarf für die Hallsonde und die zugehörige Elektronik problematisch, der eine kompakte Bauweise des ABS/TC-Systems beeinträchtigt. Außerdem ist eine Hallsonde ein empfindliches und dadurch ausfallträchtiges elektrisches Bauelement.

Erfindungsgemäße Lösung

Die vorliegende Erfindung schlägt eine platzsparende und kostengünstige Anordnung mit zugehörigem Verfahren vor. In dem Magnetkreis der Ventilanordnung wird eine zusätzliche Messwicklung angebracht, an der eine induzierte Spannung gemessen wird. Diese Spannung ist proportional zu dem magnetischen Fluß des im Ventil erzeugten Magnetfeldes, und damit auch zu der durch das Magnetfeld verursachten Kraft, die auf den beweglichen Anker des Magnetkreises wirkt und die Stellung des Ankers beeinflusst.

Der Platzbedarf für die Messwicklung ist dabei wesentlich geringer als der für eine Hallsonde oder für den Drucksensor. Die Kosten einer Wicklung aus dünnem Draht sind zudem wesentlich geringer als die eines teuren Drucksensors für die Regelung mittels einer geschlossenen Regelschleife. Außerdem ist eine Spule weniger ausfall- trächtig wie eine Hallsonde. Die Erfindung beruht darauf, dass die Position des Ankers das Magnetfeld, das im elektromagnetischen Kreis des Ventils erzeugt wird, beeinflusst. Insbesondere wird die Flussdichte des Magnetfeldes beeinflusst und damit auch der magnetische Fluss. Die Stellung des Ankers im Ventil bestimmt den im Ventil eingestellten hydraulischen Druck. Durch Ermittlung des magnetischen Flusses kann also auf die Stellung des Ankers und damit auf den im Ventil herrschenden hydraulischen Druck geschlossen werden. Es kann somit ein Istwert für den hydraulischen Druck bestimmt werden, der einer Regeleinheit als Regelgröße für die Druckregelung dient.

Die elektromagnetische Ventilvorrichtung mit Magnetkreis, die für das erfinderische Verfahren einzusetzen ist, weist einen Stator mit einer Ventilspule und einen beweglichen Anker auf. Die Ventilspule ist mit einer Regeleinheit zu verbinden und kann von dieser mit einem regelbaren Steuerstrom beaufschlagt werden. Ein beaufschlagter regelbarer Steuerstrom erzeugt ein die Ventilspule umgebendes Magnetfeld, das eine auf den Anker wirkende Kraft hervorruft. Der Anker bewegt ein Ventilglied relativ zu dessen Ventilsitz. Der magnetische Kreis weist ferner eine Messwicklung auf, die mit einer Regeleinheit zuverbinden ist. Die Messwicklung ist dabei so in dem Magnetkreis angeordnet, dass sie von dem Magnetfeld um die Ventilspule zumindest teilweise durchsetzt wird, wobei eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Magnetfeld eine messbare Spannung in der Messwicklung induziert. Der Messwicklung ist ein Integrator, ein Filter, vorzugsweise ein Tiefpassfilter, und ein Radizierer nachgeschaltet.

Vorzugsweise ist der Regeleinheit für das erfindungsgemäße Verfahren eine Regel- große zuzuleiten, die an der Messwicklung erfasst wird. Der Ventilspule ist von der Regeleinheit ein, vorzugsweise pulsweitenmodulierter, Steuerstrom als Stellgröße zuzuführen. Von außen ist der Regeleinheit ein Sollwert für die am Anker zu verursachende Kraft als Führungsgröße vorzugeben. Die Regelgröße ist einem A/D-Wandler in der Regeleinheit zuzuführen. Als Regelgröße ist der Regeleinheit die in der Mess- Wicklung induzierte Spannung zuzuleiten, die proportional zu der den Anker beeinflussenden Kraft ist. Um diese Regelgröße zu erhalten, wird der Messwicklung ein Integrator, ein Filter, vorzugsweise ein Tiefpassfilter, und ein Radizierer nachgeschaltet. Die Windungszahl der Messwicklung ist vorzugsweise so gewählt, dass eine an den Anschlüssen der Messwicklung anliegende Spannung unmittelbar von einem nachgeschalteten A/D-Wandler zu verarbeiten ist. Es muss kein Verstärker eingesetzt werden, wodurch die Kosten für das ABS/TC-System zusätzlich niedrig gehalten werden. Um die auf den Anker wirkende Kraft möglichst genau einzustellen, wird gemäß der Erfindung bevorzugt folgende Vorgehensweise angewendet: a) Festlegen eines Steuerstroms für eine am Anker einzustellende Kraft als Stellgröße; b) Bestimmen einer

5 zu der am Anker wirkenden Kraft proportionalen Größe als Regelgröße; c) Schrittweises annähern der Stellgröße für die Ventilspule, so dass sich die Regelgröße in Richtung der Führungsgröße ändert, solange die Regelgröße von der Führungsgröße abweicht. Die erfasste Regelgröße entspricht der am Anker wirkenden Kraft. Durch das Verändern des Steuerstroms wird auch die Kraft verändert, die am Anker wirkt.o Durch das Annähern der Regelgröße an die Führungsgröße wird die am Anker einzustellende Kraft angenähert. Die Spannungsmessung an der Messwicklung ergibt einen Wert, der mittels eines Integrators, eines Filters, vorzugsweise eines Tiefpassfilters, und eines Radizierers in eine zu der am Anker wirkenden Magnetkraft proportionale Größe umgeformt wird, die der Regeleinheit als Regelgröße zuzuführen ist.5

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit Ventilanordnung und Regel-o einheit.

Fig. 2 zeigt eine alternative beispielhafte Schaltungsanordnung, mit Ventilanordnung und Regeleinheit. 5 Die beispielhafte Darstellung einer Schaltungsanordnung 1 in Fig. 1 zeigt den elektromagnetischen Kreis 110 einer Ventilanordnung (im weiteren nicht weiter veranschaulicht) mit einem Stator 111, einer Ventilspule LIl, einem beweglichen Anker (nicht gezeigt) und einer Messwicklung L12, die zwei Anschlüsse aufweist. Die Messwicklung L12 ist mit einem Integrator 120 verbunden, der einen ersten Eingang 121,o einen zweiten Eingang 122, sowie einen Ausgang 123 aufweist. Dabei sind die beiden Anschlüsse der Messwicklung L12 mit dem ersten Eingang 121 beziehungsweise dem zweiten Eingang 122 des Integrators 120 verbunden. Der Integrator 120 ist aus einem Operationsverstärker Uli, einem Kondensator CIl und einem Widerstand RIl verschaltet. Der erste Eingang 121 des Integrators 120 ist mit dem nicht-5 invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers verbunden. Der nicht- invertierende Eingang (+) und der erste Eingang 121 sind mit einem Referenzpotential 0 verbunden. Der zweite Eingang 122 des Integrators 120 ist über den Wider- stand RIl mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers Uli verbunden. Der Ausgang 123 des Operationsverstärkers Uli ist über den Kondensator CIl auf den invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers Uli rückgekoppelt. Weiterhin weist der Integrator 120 einen elektrisch betätigbaren Schalter U12 auf. Der elektrisch betätigbare Schalter U12 ist vorzugsweise ein elektronischer

Schalter, der hier vereinfacht als Relais dargestellt ist. Der Ausgang 123 des Operationsverstärkers Uli ist über den elektromagnetischen Schalter Ü12 mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers Uli verbunden. In der Ruheposition des elektrisch betätigbaren Schalters U12 wird damit die Rückkopplung über den Kondensator CIl überbrückt. Der Ausgang 123 des Integrators 120 ist mit einem

Eingang PIl eines Filters 130 verbunden. Der Filter 130 weist ferner einen Anschluss GIl, über den der Filter 130 mit dem Referenzpotential 0 verbunden ist, und einen Ausgang P13 auf, der mit einem Eingang IN eines Radizierers 150 verbunden ist. Der Radizierer 150 ist über einen Ausgang OUT mit einem Regeleingang (--) einer Regel- einheit 140 verbunden. Der Radizierer 150 ist ferner über einen Anschluss G12 mit dem Referenzpotential 0 verbunden. Die Regeleinheit 140 ist mit der Ventilspule LIl des elektromagnetischen Kreises 110 über einen MOSFET-Transistor XIl verbunden, wobei der Gateanschluss des MOSFET-Transistors XIl von der Regeleinheit 140 über einen Ausgang PWM angesteuert ist. Über einen Drainanschluss ist der MOSFET- Transistor XIl mit einem ersten Anschluss der Ventilspule LIl und einer Freilaufdiode Dil verbunden. Die Freilaufdiode Dil ist parallel zu der Ventilspule LIl geschaltet und dient zum Schutz vor induktiven Überspannungen. Der zweite Anschluss der Ventilspule LIl ist mit einem Plusanschluss v+ einer Stromversorgung verbunden. Der Sourceanschluss und das Substrat des MOSFET-Transistors XIl sind mit dem Referenzpotential 0 verbunden. Weiterhin ist die Regeleinheit 140 über einen Ausgang ROUT mit einem Eingang A des elektrisch betätigbaren Schalters U 12 verbunden, der über einen Ausgang B mit dem Referenzpotential 0 verbunden ist. Die Regeleinheit 140 kann die Ventilspule LIl mit einem regelbaren und pulsweitenmo- dulierten Steuerstrom durch Steuern des MOSFET-Transistors XIl beaufschlagen. Die Regeleinheit 140 weist ferner einen Eingang r+, für einen Sollwert F_Soιι und einen Anschluss G13 auf, über den die Regeleinheit mit dem Referenzpotential 0 verbunden ist. Die Freilaufdiode Dil und die Ventilspule LIl sind zudem mit dem Plusanschluss v+ einer Stromversorgung Vl verbunden, deren Masseanschluss v- ebenfalls mit dem Referenzpotential 0 verbunden ist.

Wird die Ventilspule LIl mit einem Steuerstrom beaufschlagt, so bildet sich um die Ventilspule LIl ein Magnetfeld aus, das eine Kraft Fgemäß der Beziehung am beweglichen Anker hervorruft, wobei Fdie Kraft, B die magnetische Flussdichte 5 im Magnetfeld um die Ventilspule LIl, A der magnetische Querschnitt des Ankers, und μ₀ die Permeabilität der Luft ist. Durch Verändern des Steuerstroms verändert sich die auf den Anker wirkende Kraft Fso, dass die Steiiung des Ankers verändert wird. Die magnetische Flussdichte B des magnetischen Feldes ergibt sich aus

N u lo B = Hμ_oμ_r mit H = I-*- und mit / = — ,

/ R wobei /-/die erzeugte magnetische Feldstärke und μ_r die Permeabilitätszahl des für den Anker und den Stator verwendeten Materials ist. Die magnetische Feldstärke H ist definiert als der Elektrische Strom /multipliziert mit dem Quotienten aus der Win- i5 dungszahl N₁ der Ventilspule LIl und der Magnetfeldlänge /. Die Magnetfeldlänge / variiert mit der Stellung des Ankers im Magnetfeld und beeinflusst dadurch die magnetische Flussdichte B. Der Strom / variiert mit der Spannung U=Vl und dem Widerstand Q der Ventilspule LIl. Der Widerstand der Ventilspule LIl ist abhängig von der Temperatur. Eine Änderung der Stellung des Ankers führt zu einer Veränderung der

2o magnetischen Flussdichte B₁ dadurch zu einer Veränderung der Kraft Fund folglich zu einer Veränderung des eingestellten Drucks im Ventil. Über die Beziehung

R - ^Φ B - ^~A ' 5 steht die magnetische Flussdichte B auch in Beziehung mit dem magnetischen Fluss Φ im Magnetfeld. Da die magnetische Flussdichte B von der Stellung des Ankers beeinflusst ist, ist auch der magnetische Fluss Φ abhängig von der Stellung des Ankers. 0

Das Magnetfeld durchsetzt außerdem zumindest teilweise die sich in magnetischer Kopplung mit der Ventilspule LIl in dem magnetischen Kreis 110 befindliche Messwicklung L12. Ein Verändern des Steuerstroms durch die Regeleinheit 140 verändert sich auch der magnetische Fluss Φ im Magnetfeld um die Ventilspule LIl. Eine Än-5 derung des magnetischen Flusses Φ im Magnetfeld um die Ventilspule LIl induziert in der Messwicklung L12 eine Spannung (/für die gilt: U = N, - . dt

N₂ ist hierbei die Windungszahl der Messwicklung L12 und dΦ die Änderung des magnetischen Flusses Φ nach der Zeit t

Durch Integration der induzierten Spannungswerte U über die Zeit mit dem Integrator 120 wird ein Wert ermittelt, der proportional zu dem magnetischen Fiuss Φ im Magnetfeld ist. Der elektrisch betätigbare Schalter U 12 wird verwendet, um den Startzustand des Integrators 120 zu definieren. Der Kontakt im elektrisch betätigba- ren Schalter U12 wird deshalb vor Beginn einer Ventilaktivierung von der Regeleinheit 140 geöffnet, indem der elektrisch betätigbare Schalter U12 ein Schaltsignal aus dem Ausgang ROUT der Regeleinheit 140 erhält.

Der Anker wird, aufgrund der Massenträgheit des für seine Herstellung verwendeten Eisenmaterials und der hohen Frequenz (ca. 200 - 10.000 Hz) des pulsweitenmodu- lierten Signals, dem Signalverlauf des pulsweitenmodulierten Signals nicht folgen. Vielmehr wird er eine Stellung einnehmen, die dem mittleren magnetischen Fluss Φ entspricht. Der Filter 130 ist als Tiefpassfilter ausgestaltet und bildet den Mittelwert des magnetischen Flusses Φ im Magnetfeld. Die Übertragungsfunktion des Tiefpas- ses stimmt dabei zumindest annähernd mit der Übertragungsfunktion des mechanischen Anker-Federsystems des Ventils überein, um so vom Mittelwert des magnetischen Flusses Φ auf die Ankerstellung schließen zu können.

Der magnetische Fluss Φ ist mit der im Ventil hervorgerufenen Kraft über die Bezie- hung

F = ^{. φ2}

2Aμ₀ verknüpft. Der magnetische Fluss Φ ist somit quadratisch proportional zu der im Ventil wirkenden Kraft F Durch das Radizieren des Wertes für den mittleren magnetischen Fluss Φ in einem dem Tiefpassfilter nachgeschalteten Radizierer 150 wird ein Wert erzeugt, der der am Anker wirkenden Kraft Fdirekt proportional ist. Dieser Wert wird der Regeleinheit 140 als Regelgröße F_Regeι zugeführt. Die Regeleinheit 140 vergleicht die Regelgröße F_Regeι mit einer Führungsgröße Fs_0H1 die der Regeleinheit 140 von außen über einen Eingang r+ zugeführt wird. Da die Regelgröße F_Regei über den magnetischen Fluss Φ ebenfalls von der Magnetfeldlänge /und damit von der Ankerstellung abhängt, lässt sich von der Regelgröße F_Rege/auf die Ankerstellung und damit auf den im Ventil eingestellten hydraulischen Druck schließen. Die Regeleinheit 140 verändert mit dem Steuerstrom am Ausgang PWM die Stellgröße in der Art, dass sich die Regelgröße F_Regei der Führungsgröße Fsoii annähert. Auf diese Weise wird im Ventil der gewünschte hydraulische Druck eingestellt. Durch die beschriebene Rege- lung können Einflüsse der Versorgungsspannung, der Temperatur auf die verschiedenen Komponenten, Geometrieänderungen des Ventils und die magnetische Sättigung der Materialien ausgeregelt werden.

Fig. 2 zeigt eine alternative beispielhafte Schaltungsanordnung 2 für die Durchfüh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 zeigt den elektromagnetischen Kreis 210 einer Ventilanordnung (nicht weiter veranschaulicht) mit einem Stator 211, einer Ventilspule L21, einem beweglichen Anker (nicht gezeigt) und einer Messwicklung L22, die zwei Anschlüsse aufweist. Die Messwicklung L22 ist über einen ersten An- schluss 212 mit Referenzpotential 0 verbunden.

Über einen zweiten Anschluss 213 ist die Messwicklung L22 mit einem ersten An- schluss 221 eines ersten RC-Gliedes 220 verbunden. Das erste RC-Glied 220 weist weiterhin einen zweiten Anschluss 222, einen dritten Anschluss 223 und einen vierten Anschluss 224 auf. Das erste RC-Glied 220 weist einen Widerstand R21 auf, der den ersten Anschluss 221 mit dem dritten Anschluss 223 des ersten RC-Gliedes 220 verbindet. Der zweite Anschluss 222 des ersten RC-Gliedes 220 ist mit dem vierten Anschluss 224 des ersten RC-Gliedes 220 verbunden. Weiterhin weist das erste RC- Glied 220 einen Kondensator C21 auf, der dem Widerstand R21 des ersten RC- Gliedes 220 nachgeschaltet ist. Der Kondensator C21 des ersten RC-Gliedes 220 verbindet den dritten Anschluss 223 mit dem vierten Anschluss 224. Der zweite Anschluss 222 und der vierte Anschluss 224 des ersten RC-Gliedes 220 sind mit dem Referenzpotential 0 verbunden.

Ein zweites RC-Glied 230 ist in Serie zu dem ersten RC-Glied 220 geschaltet. Es weist einen ersten Anschluss 231, einen zweiten Anschluss 232, einen dritten Anschluss 233 und einen vierten Anschluss 234 auf. Der erste Anschluss 231 ist mit dem dritten Anschluss 233 über einen Widerstand R22 verbunden. Der zweite Anschluss 232 ist mit dem vierten Anschluss 234 des zweiten RC-Gliedes 230 verbunden. Das zweite RC-Glied enthält ferner einen Kondensator C22, der dem Widerstand R22 des zweiten RC-Gliedes 230 nachgeschaltet ist. Weiterhin verbindet der Kondensator des zweiten RC-Gliedes 230 den dritten Anschluss 233 mit dem vierten Anschluss 234. Der dritte Anschluss 223 des ersten RC-Gliedes 220 ist mit dem ersten Anschluss 231 des zweiten RC-Gliedes 230 verbunden. Der vierte Anschluss 224 des ersten RC- Gliedes 220 ist mit dem zweiten Anschluss 232 des zweiten RC-Gliedes 230 verbun- 5 den.

Das zweite RC-Giied 230 ist über den dritten Anschiuss 233 mit einem A/D-Wandier (nicht weiter veranschaulicht) einer Regeleinheit 240 verbunden.

lo Die Regeleinheit 240 ist mit der Ventilspule L21 des elektromagnetischen Kreises 210 über einen MOSFET-Transistor X21 verbunden, wobei ein Gateanschluss des MOSFET-Transistors X21 von der Regeleinheit 240 über einen Ausgang PWM angesteuert ist. Über seinen Drainanschluss ist der MOSFET-Transistors X21 mit einem ersten Anschluss der Ventilspule L21 und einer Freilaufdiode D21 verbunden. Die i5 Freilaufdiode D21 ist parallel zu der Ventilspule L21 geschaltet und dient zum Schutz vor induktiven Überspannungen. Der zweite Anschluss der Ventilspule L21 ist mit einem Plusanschluss v+ einer Stromversorgung V2 verbunden. Der Sourceanschluss und das Substrat des MOSFET-Transistors X21 sind mit dem Referenzpotential 0 verbunden. Die Regeleinheit 240 kann die Ventilspule L21 mit einem regelbaren und

2o pulsweitenmodulierten Steuerstrom durch Steuern des MOSFET-Transistors X21 beaufschlagen. Die Regeleinheit 240 weist ferner einen Eingang r+ für einen Sollwert Soll und einen Anschluss GND auf, über den die Regeleinheit mit dem Referenzpotential 0 verbunden ist Die Freilaufdiode D21 und die Ventilspule L21 sind zudem mit einem Plusanschluss v+ der Stromversorgung V2 verbunden, deren Massean- 5 Schluss v- ebenfalls mit dem Referenzpotentiat 0 verbunden ist. Die Regeleinheit 240 ist über einen Versorgungseingang Supply ebenfalls mit dem Pluspol v+ der Stromversorgung V2 verbunden.

Die physikalischen Zusammenhänge von Steuerstrom, Magnetfeld, magnetischer 0 Flussdichte B₁ magnetischer Feldstärke H, Magnetfeldlänge /und Einfluss der Stellung des Ankers sind bereits für die Ausführungsform nach Fig. 1 dargelegt. Ebenso ist der Zusammenhang von induzierter Spannung U₁ magnetischem Fluss Φ und der auf den Anker wirkenden Kraft F bereits geschildert worden. 5 Der Widerstand R21 und der Kondensator C21 des ersten RC-Gliedes 220 sind so dimensioniert, dass durch das erste RC-Glied 220 ein Integrator realisiert ist (R21 C21 » Messzeit). Durch Integration mit dem ersten RC-Glied 220 wird ein Wert ermittelt, der proportional zu dem magnetischen Fluss Φ im Magnetfeld ist.

Der Anker wird, aufgrund der Masseträgheit des für seine Herstellung verwendeten Eisenmaterials und der hohen Frequenz (ca. 200 - 10.000 Hz) des pulsweitenmodu- lierten Signals, dem Signalverlauf des pulsweitenmodulierten Signals nicht folgen. Vielmehr wird er eine Stellung einnehmen, die dem mittleren magnetischen Fiuss Φ entspricht. Der Widerstand R22 und der Kondensator C22 des zweiten RC-Gliedes 230 sind deshalb so dimensioniert, dass durch das zweite RC-Glied 230 ein Tiefpass realisiet ist. Das zweite RC-Glied 230 bildet den Mittelwert des magnetischen Flusses Φ im Magnetfeld. Die Übertragungsfunktion des vom zweiten RC-Glied 230 realisierten Tiefpasses stimmt dabei zumindest annähernd mit der Übertragungsfunktion des mechanischen Anker-Federsystems des Ventils überein, sodass vom Mittelwert des magnetischen Flusses Φ auf die Ankerstellung geschlossen werden kann.

Der mittlere magnetischen Fluss Φ dient der Regeleinheit 240 als Eingabewert für deren A/D-Wandler.

In der Regeleinheit 240 wird nach der A/D-Wandlung der Eingabewert radiziert und so ein Wert erzeugt, der der am Anker wirkenden Kraft Fdirekt proportional ist.

Dieser Wert dient als Regelgröße. Die Regeleinheit 240 vergleicht die Regelgröße mit einer Führungsgröße Soll, die der Regeleinheit 240 über einen Eingang r+ zugeführt wird. Da der erzeugte Wert für die Regelgröße über den magnetischen Fluss Φ e- benfalls proportional zu der Kraft im Ventil ist, lässt sich von dem erzeugten Wert auf den im Ventil eingestellten hydraulischen Druck schließen. Die Regeleinheit 240 verändert mit dem Steuerstrom die Stellgröße in der Art, dass sich die Regelgröße der Führungsgröße Soll annähert. Auf diese Weise wird im Ventil der gewünschte hydraulische Druck eingestellt.

In einer dritten nicht weiter veranschaulichten alternativen Ausführung kann auch die Integration des gemessenen und tiefpassgefilterten Wertes von der Regeleinheit übernommen werden. Das Vertauschen der Schritte des Filterns und des Integrierens ist gegenüber dem Beispiel aus Fig. 2 ebenfalls möglich, da es sich um lineare Systeme im Sinne der Systemtheorie handelt, mit denen die Signalverarbeitung ausge- führt wird. Es ist auch möglich, einen vierpoligen RC-Filter mit den Anschlüssen der Messwicklung L22 zu verschalten und die Integration und das Radizieren in der Re- geleinheit 240 durchzuführen. Schließlich wäre es auch möglich, den Tiefpass ebenfalls durch Rechenoperationen in der Regeleinheit abzubilden.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung von Hydraulikventilen nicht auf den Einsatz in ABS/TC-Systemen und auf die Verwendung der hier beschriebenen Schaltungsanordungen begrenzt ist.

Claims

Patentansprüche

1. Eine elektromagnetische Ventilanordnung mit einem Magnetkreis (110), der einen Stator (111) mit einer Ventilspule (LH) und 5 - einen beweglichen Anker aufweist, wobei die Ventilspule (LH)

- mit einer Regeleinheit (140) zu verbinden ist und von dieser ~ mit regelbarem Steuerstrom beaufschlagbar ist, wobei

- ein beaufschlagter regelbarer Steuerstrom ein die Ventilspule lo (LH) umgebendes Magnetfeld erzeugt,

- das eine auf den Anker wirkende Kraft hervorruft; wobei der Anker

~ ein Ventilglied relativ zu dessen Ventilsitz bewegt; dadurch gekennzeichnet, dass i5 - der magnetische Kreis eine Messwicklung (L12) aufweist, die Messwicklung (L12) mit der Regeleinheit (140) zu verbinden ist; die Messwicklung (L12) so in dem Magnetkreis angeordnet ist, dass sie von dem Magnetfeld zumindest teilweise durchsetzt ist, wobei eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Magnetfeld eine 20 messbare Spannung in der Messwicklung (L12) induziert.

2. Die elektromagnetische Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Messwicklung ein Integrator (120), ein Filter (130) und ein Radizierer (150) nachgeschaltet sind. 5

3. Die elektromagnetische Ventilanordnung nach Anspruch 2, wobei

der Filter (130) ein Tiefpassfilter ist.

4. Eine Regeleinheit (140) für eine elektromagnetische Ventilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Regeleinheit (140) eine Regelgröße zuzuleiten ist; der Ventilspule (LH) von der Regeleinheit (140) ein Steuerstrom als 5 Stellgröße zuzuführen ist; der Regeleinheit (140) als Führungsgröße von außen ein Sollwert für die am Anker zu verursachende Kraft vorzugegeben ist; und die Regeleinheit (140) einen A/D-Wandler enthält, dem die Regelgröße zuzuführen ist, o dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die in einer Messwicklung (L12) induzierte Spannung der Regeleinheit (140) zuzuführen ist; und die Regelgröße proportional zur der den Anker beeinflussenden Kraft ist. 5

5. Die Regeleinheit nach Anspruch 4, wobei zwischen Messwicklung (L12) und Regeleinheit (140) ein Integrator (120), ein Filter (130) und ein Radizierer (150) zum Umformen des Wertes der an der Messwicklung (L12) induzierten Spannung in die Re-o gelgröße geschaltet sind, wobei der Integrator (120) und der Radizierer (150) entweder als eigene Schaltelemente realisiert, oder in die Regeleinheit (140) integriert sind.

6. Die Regeleinheit nach Anspruch 5, wobei 5 - der Filter (130) ein Tiefpassfilter ist.

7. Die Regeleinheit nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Windungszahl der Messwicklung (L12) so gewählt ist, dass eine an den Anschlüssen der Messwicklung (L12) anliegende Spannung unmit- telbar von einem nachgeschalteten A/D-Wandler zu verarbeiten ist.

8. Die Regeleinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Regeleinheit (140) die Ventilspule (L12) mit einem pulsweitenmodu- lierten Signal ansteuert.

9. Ein Verfahren zum Betrieb einer Regeleinheit (140) nach Anspruch 4 mit den Schritten:

Festlegen eines Steuerstroms als Stellgröße für die Ventilspule (LH) der Ventilanordnung; - Erfassen von Spannungswerten an der Messwicklung (L12);

Umformen der erfassten Spannungwerte in eine Regelgröße, die der am Anker wirkenden Kraft entspricht;

Zuführen der umgeformten Spannungswerte als Regelgröße an die Regeleinheit (140); und - schrittweises Verändern des Steuerstroms als Stellgröße an der Ventilspule (LH), und damit der Kraft, die am Anker wirkt, so, dass sich die Regelgröße in Richtung der Führungsgröße ändert, solange die Regelgröße von der Führungsgröße abweicht, wodurch die am Anker einzustellende Kraft angenähert wird.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Umformen die Schritte

Integration der Spannungswerte mit einem Integrator (120),

Filtern der Spannungswerte mit einem Filter (130), und

Radizieren der Spannungswerte mit einem Radizierer (150) aufweist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei für das Filtern ein Tiefpassfilter verwendet wird.