WO2018077343A1 - Steuerschaltung sowie verfahren zum verbessern der messbarkeit eines mechanischen einschaltvorganges eines elektromagnetischen aktors - Google Patents

Steuerschaltung sowie verfahren zum verbessern der messbarkeit eines mechanischen einschaltvorganges eines elektromagnetischen aktors Download PDF

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control circuit
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Fabio De Giacomo
Weigang Wang
Piergiacomo Traversa
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H01F2007/1822—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current making use of an energy accumulator using a capacitor to produce a boost voltage

Definitions

  • the present invention initially relates to a method for improving the measurability of an end time of a mechanical switch-on of an electromagnetic actuator.
  • the electromagnetic actuator may be, for example, a switching valve.
  • the invention further relates to an electronic control circuit for driving an electromagnetic actuator, which allows improved measurability of an end time of a mechanical switch-on of the electromagnetic actuator.
  • US 201 1/0163769 A1 shows a method for detecting at least one middle stroke position of a load driven by an active material element. In this middle stroke position, the material element undergoes a load change.
  • DE 10 2013 213 329 A1 teaches a method for detecting the operation of a switching valve which comprises a magnetic core running in a coil and a valve body which is moved in the axial direction by means of the magnetic core and the energized coil.
  • DE 10 2014 220 929 A1 shows a method for controlling an inductive actuator. In this method, an actuator coil is applied at the beginning of the movement of an actuating element with a larger voltage. The voltage is selected depending on the speed of the actuator to be achieved.
  • Solenoid valves comprising a timer, consisting of a transistor, a
  • the object of the present invention is to improve the measurability of an end time of a mechanical switch-on of an electromagnetic actuator.
  • inventive method is used to improve the measurability of a
  • the electromagnetic actuator is preferably a switching valve which is used, for example, in an automobile, in a chemical plant, in an energy-technical plant, in a machine or in a medical-technical installation.
  • Switching valve may be designed in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the switching valve for a hydraulic control of a Inlet valve of an internal combustion engine of a motor vehicle trained.
  • the electromagnetic actuator but it can also be, for example, a
  • the electromagnetic actuator comprises a solenoid core in the form of an iron core and an electrical coil, inside which the iron core is preferably arranged.
  • the iron core is displaceable by energizing the electric coil, so that electrical energy is converted into mechanical energy and the electromagnetic actuator drives the element to be moved by it.
  • the iron core is preferably displaceable in the electrical coil in the axial direction of the electrical coil.
  • an actuator element is attached, which is displaced by the iron core.
  • the actuator element is preferably a valve body when the actuator is formed by a switching valve.
  • the iron core may be made of iron or another ferromagnetic material.
  • Control circuit thus serves to operate the electromagnetic actuator.
  • the iron core is moved from a starting position to an end position. As long as the actuator is mechanically switched, d. H. as long as the coil voltage is applied, the iron core remains in the end position. If the coil voltage is switched off, it comes to a
  • inventive method in an improved manner measurable end time of the mechanical switch-on is given when the iron core has reached its final position.
  • the electronic control circuit is supplied with an operating voltage, so that from this a supply of the electromagnetic actuator takes place.
  • a capacitor arranged in the electronic control circuit is charged.
  • the energy for charging the capacitor is taken from the operating voltage.
  • the capacitor is preferably charged to a capacitor voltage greater than that
  • an up-converter is preferably used, whose inductance is formed by the coil of the actuator, while whose capacity is formed by the capacitor to be charged.
  • the capacitor is discharged in order to increase the coil voltage during the mechanical switch-on process to a value which is greater than the operating voltage.
  • This increase in the coil voltage leads, in particular, to a significant shortening of the current increase phase, while the mechanical switch-on process may only be shortened slightly.
  • the shortened current increase phase allows a more accurate evaluation of the current flow after the current increase phase, if the mechanical
  • Switch-on can also be closed on the duration of the mechanical switch-on.
  • the coil voltage during the mechanical switch-on is increased up to the measured end time of the mechanical switch-on.
  • the discharge of the capacitor is omitted after the measured end time.
  • the coil voltage is increased starting with the mechanical switch-on. Consequently, the discharge of the capacitor begins with the beginning of the mechanical
  • the mechanical starting process begins when the coil is charged with the coil voltage.
  • the value of the coil voltage during the mechanical switch-on is at least one and a half times as great as the operating voltage.
  • Coil voltage during the mechanical switch-on at least three times as large as the operating voltage.
  • the value of the coil voltage can be up to five times or more than five times the operating voltage during the mechanical switch-on process.
  • Capacitor voltage of the charged capacitor at least one and a half times the operating voltage.
  • the capacitor voltage of the charged capacitor at least one and a half times the operating voltage.
  • Capacitor voltage of the charged capacitor may be up to five times or more than five times the operating voltage.
  • the inventive method is particularly suitable for applications in which the operating voltage is fixed and can not be increased. This is especially true in mobile applications, such as in a motor vehicle where the operating voltage is tapped from a battery.
  • the operating voltage is preferably formed by a battery voltage.
  • the battery is used to power the control circuit and thus also to operate the actuator.
  • the coil current initially increases in the current increase phase during the energization.
  • the current increase phase begins when the coil voltage is applied to the electrical coil.
  • the coil current increases during the current increase phase preferably from zero to a maximum current value. This rise of the coil current, a small alternating current component can be superimposed.
  • Maximum current value is a magnetic saturation of the electromagnetic actuator.
  • the current increase phase is preferably followed by a peak current phase, in which the coil current flows from one formed by the maximum current value
  • Peak current phasing value decreases to a peak current phase intermediate value and increases from the peak current phaseshifter to a peak current phaseshift. This sinking and rising of the coil current can be less
  • the peak current phase is followed by a holding current phase in which the coil current drops to a holding current value range and remains there.
  • the electromagnetic actuator is switched off electrically.
  • the coil current decreases from a phased-out preweakening current value to zero and rises to an out-phasing intermediate current value, whereupon it is de-energized
  • Outflow phase intermediate value drops to an outflow phase end current value.
  • the phasing end current value is preferably zero.
  • the mechanical switch-on preferably extends into the
  • Peak current phase The end time of the mechanical switch-on process is preferably given when the peak current phase intermediate value is reached. The time of reaching the peak current phase intermediate value is preferred
  • the capacitor is preferably charged when the actuator is mechanically switched off and no coil voltage is applied to the coil.
  • Capacitor is alternatively or additionally preferably charged at the beginning of the holding current phase, while the coil current decreases to a holding current value range.
  • the capacitor is alternatively or additionally preferred at the beginning of Outlet stream hase charged while the coil current from
  • the capacitor is charged by a charging current, which is pulse width modulated.
  • the capacitor is discharged by a discharge current, which is preferred
  • the electronic control circuit according to the invention serves to drive an electromagnetic actuator.
  • the electromagnetic actuator is preferably a switching valve.
  • the electromagnetic actuator comprises a
  • Electromagnet core in the form of an iron core and an electrical coil, inside which the iron core is preferably arranged.
  • the iron core is through a
  • the electric coil is to be supplied by the electronic control circuit with a coil voltage to energize the coil by a coil current.
  • the electronic control circuit comprises at least a first electronic switching element, a capacitor and a diode, which are connected so that they form an up-converter with the coil to be connected.
  • the capacitor can be charged to a voltage greater than one
  • the electronic control circuit according to the invention preferably comprises a second switching element for electrically switching the coil to be connected to the capacitor, so that the charged capacitor can be discharged via the coil and the coil voltage can be increased to a value greater than the operating voltage.
  • the first switching element is preferably formed by a transistor; especially preferred by a MOSFET.
  • the electronic control circuit preferably comprises a half-bridge circuit having an upper MOSFET and a lower MOSFET.
  • the lower MOSFET preferably forms the first switching element of the boost converter.
  • the diode is preferably formed by a Schottky diode.
  • the capacitor is preferably formed by an electrolytic capacitor.
  • the half-bridge circuit preferably further comprises an electronic
  • Freewheeling element which is preferably connected to the upper MOSFET.
  • the freewheeling element is preferably formed by a MOSFET or by a Schottky diode.
  • the second switching element forms an increase switching element, since it serves for the electrical switching of the coil to be connected to the capacitor.
  • the electronic control circuit according to the invention is preferably designed for driving or for operating a plurality of the electromagnetic actuators.
  • the electronic control circuit comprises a plurality of individual controls for each one of the plurality of electromagnetic actuators.
  • Each of the individual controllers comprises one of the first switching elements and one of the diodes.
  • the capacitor is available for the entire electronic control circuit, i. H. for each of the individual controls.
  • Control circuit are connected so that they form an up-converter with the coil to be connected to the respective individual control.
  • the capacitor is preferably also the second switching element for the entire electronic
  • Control circuit available.
  • the one second switching element is connected so that it is designed for the electrical switching of each of the coils to be connected to the capacitor, so that the charged capacitor can be discharged via the respective coil.
  • the control circuit according to the invention is preferred for carrying out the
  • control circuit according to the invention is preferred for carrying out preferred embodiments of the invention
  • inventive Control circuit also preferably features that are specified in connection with the method according to the invention and its preferred embodiments.
  • Fig. 1 shows a time course of a coil current as a result of
  • FIG. 2 shows a charging process to be carried out according to the invention
  • Fig. 3 is a circuit diagram of a preferred embodiment of a
  • Fig. 4 is a circuit diagram of another preferred embodiment of
  • Fig. 5 is a circuit diagram of a modified embodiment of
  • Fig. 1 shows a time course of a coil current 01 as a result of
  • the coil current 01 flows in an electric coil 03 (shown in FIG. 3) of an electromagnetic actuator (not shown) in which an iron core (not shown) is moved.
  • the electromagnetic actuator is in particular a switching valve.
  • the coil current 01, 02 increases after the application of the coil 03 (shown in Fig. 3) by a coil voltage during a current increase phase 04, 05 and passes through a peak current phase 06, 07, whereupon he to the end of Actuation by the coil voltage in a holding current phase 08 remains. After being energized by the coil voltage, it closes
  • Outlet flow phase 09 (shown in Fig. 2).
  • the coil voltage is increased in the current increase phase 04 to a value higher than an operating voltage, so that a
  • Peak current phase initial value 12 of the coil current 02 according to the prior art is achieved.
  • the coil current 01 then decreases in the peak current phase 06 to a peak current phase intermediate value 13.
  • the coil current O 2 drops to one
  • Peak current phase intermediate value 13, 14, a mechanical duty cycle 16 is completed because a mechanical activation of the actuator (not shown) is completed and the actuator is in a switched state.
  • the peak current phase intermediate value 13 achieved according to the invention is only insignificantly higher in time than that obtained according to the prior art
  • Peak current phase intermediate value 14 so that the mechanical duty cycle 16 hardly changes by the invention.
  • the peak current phase initial value 1 1 achieved according to the invention is well ahead of the peak current phase initial value 12 achieved according to the prior art
  • Peak current phase intermediate value 13 significantly longer than a detection time 18 achieved in accordance with the prior art for detecting the
  • Peak current phase intermediate value 14 The significantly longer detection time 17 allows an improved determination of the time of reaching the
  • Peak current phase intermediate value 13 so that the mechanical duty cycle 16 can be determined more accurately.
  • Detection time 18 for detecting the peak current phase intermediate value 14 is very short and leads to great inaccuracies in determining the time of reaching the peak current phase intermediate value 14, so that the mechanical duty cycle 16 is measured correspondingly inaccurate.
  • the timing of the peak current phase intermediate value 13 thus constitutes one
  • the inventive increase of the coil voltage in the current increase phase 03 to a value higher than the operating voltage is effected by discharging a
  • Capacitor 20 (shown in Fig. 3). The charging of the capacitor 20 is explained in more detail in FIG.
  • FIG. 2 shows temporal phases of a charging process, which is preferably to be carried out according to the invention, for charging the capacitor 20 (shown in FIG. 3).
  • Fig. 1 the time course of the coil current 01 is shown.
  • the current increase phase 04, the peak current phase 06, the holding current phase 08 and the discharge current phase 09 are shown, which are in a switching phase 21 in which the actuator (not shown) is mechanically switched on, held and
  • Charge phase 26 which are preferably used alternatively or in common to charge the capacitor 20 (shown in Fig. 3) according to the invention.
  • the first charging phase 23 is located at the beginning of the holding current phase 08, while the coil current 01 decreases.
  • the second charging phase 24 is at the beginning of the outlet flow phase 09, while the coil current 01 drops to zero.
  • the third charging phase 26 is in the rest phase 22.
  • a time profile of a charging current 27 for charging the capacitor 20 (shown in Fig. 3) is shown.
  • the charging current 27 is
  • Fig. 3 shows a circuit diagram of a preferred embodiment of a
  • Control circuit which is designed for carrying out the method shown in FIGS. 1 and 2.
  • the control circuit is powered by a battery 30.
  • a voltage of the battery thus represents the operating voltage.
  • the control circuit comprises, as it is also known from the prior art, a
  • Half-bridge circuit having an upper MOSFET 32 and a lower MOSFET 33 and a freewheeling MOSFET 34.
  • the lower MOSFET 33 is connected via a shunt 36 to ground.
  • the control circuit further comprises a Schottky diode 38 and the capacitor 20 in the form of a
  • Electrolytic capacitor which together with the lower MOSFET 33 and the coil 03 form an up-converter, which can also be referred to as a DC-DC converter.
  • the control circuit In particular, the lower MOSFET 33 is driven so that a capacitor voltage across the capacitor 20 is at least one and a half times as large as the battery voltage.
  • the control circuit further comprises a boosting MOSFET 39, with which the voltage of the capacitor increased from the battery voltage
  • Capacitor 20 can be connected to the coil 03.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of another preferred embodiment of the control circuit according to the invention. This embodiment is designed to operate a plurality of the electromagnetic actuators (not shown), so that several of the coils 03 are to be energized. This includes the electronic
  • Control circuit a plurality of individual controls 43 for energizing each one of the coils 03 of the electromagnetic actuators (not shown).
  • Single controls 43 include upper MOSFET 32, lower MOSFET 33, flywheel MOSFET 34, shunt 36, and Schottky diode 38, as in the embodiment shown in FIG.
  • the capacitor 20 and the boosting MOSFET 39 are present only once, since they are used for all individual controls 43.
  • Fig. 5 shows a circuit diagram of a modified embodiment of
  • Control circuit according to the invention is opposite to in FIG 4 modified embodiment in that it has freewheeling Schottky diodes 46 instead of the freewheeling MOSFET 34.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes (13) eines mechanischen Einschaltvorganges (16) eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. In dem elektromagnetischen Aktor ist ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule verschiebbar. Die Spule ist durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar, um die Spule durch einen Spulenstrom (01) zu bestromen. In einem Schritt des Verfahrens erfolgt ein Versorgen der elektronischen Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt ein Laden eines in der elektronischen Steuerschaltung angeordneten Kondensators. Erfindungsgemäß wird der Kondensator entladen, um die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges (16) auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors.

Description

Steuerschaltung sowie Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors, welche eine verbesserte Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges des elektromagnetischen Aktors erlaubt.
Die US 201 1/0163769 A1 zeigt ein Verfahren zum Erkennen mindestens einer mittleren Hubposition einer durch ein aktives Materialelement angetriebenen Last. In dieser mittleren Hubposition erfährt das Materialelement eine Belastungsänderung.
Aus der US 2005/0146408 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen des Erreichens einer Verschlussposition eines elektromagnetischen Schaltventiles bekannt, bei welchem der nach einer Deaktivierung des Schaltventiles fließende Strom ausgewertet wird. Die DE 10 2013 213 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen der Funktionsweise eines Schaltventiles, welches einen in einer Spule verlaufenden Magnetkern und einen Ventilkörper umfasst, der mithilfe des Magnetkernes und der bestromten Spule in axialer Richtung bewegt wird. Die DE 10 2014 220 929 A1 zeigt ein Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven Aktors. Bei diesem Verfahren wird eine Aktorspule bei Beginn der Bewegung eines Betätigungselementes mit einer größeren Spannung beaufschlagt. Die Spannung wird in Abhängigkeit von der zu erzielenden Geschwindigkeit des Betätigungselementes gewählt.
In der DE 10 2013 201 134 A1 ist ein Verfahren zum Betrieben eines Magnetventils beschrieben, bei welchem während einer Bestromungsphase der zeitliche Verlauf eines Stromes zum Bestromen des Magnetventils analysiert wird. Die EP 0 091 648 A1 zeigt eine Erregerschaltung für impulsweise erregte
Magnetventile, die einen Zeitgeber umfasst, der aus einem Transistor, einem
Kondensator und einem Widerstand gebildet ist.
Aus der DE 10 2014 200 184 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Einspritzventilen bekannt. Gemäß dem Verfahren erfolgt eine zeitliche Taktung einer Versorgungsspannung, bis das Einspritzventil ganz geöffnet oder geschlossen ist. Die Schaltungsanordnung umfasst ein als Tiefpass wirkendes RC-Glied.
Die DE 10 2014 220 795 A1 lehrt ein Verfahren zur Vorgabe eines durch eine
Magnetspule eines Magnetventils fließenden Stromes. Ein Schließzeitpunkt des Magnetventils wird mit einem Sensor erfasst. Der Strom durch die Magnetspule wird erhöht, wenn ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils erkannt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Messbarkeit eines Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors zu verbessern.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Steuerschaltung gemäß dem beigefügten
nebengeordneten Anspruch 10. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Verbessern der Messbarkeit eines
Endzeitpunktes eines mechanischen Einschaltvorganges eines elektromagnetischen Aktors. Das Verfahren bildet insoweit einen Teil eines Verfahrens zum Betreiben bzw. zum Steuern des elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil, welches beispielsweise in einem Automobil, in einer chemischen Anlage, in einer energietechnischen Anlage, in einer Maschine oder in einer medizintechnischen Anlage Verwendung findet. Das
Schaltventil kann insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Schaltventil für eine hydraulische Steuerung eines Einlassventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich aber auch beispielsweise um einen
Hubmagneten handeln. Der elektromagnetische Aktor umfasst einen Elektromagnetkern in Form eines Eisenkernes und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Eisenkern angeordnet ist. Der Eisenkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar, sodass elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der elektromagnetische Aktor das von ihm zu bewegende Element antreibt. Der Eisenkern ist in der elektrischen Spule bevorzugt in axialer Richtung der elektrischen Spule verschiebbar. Am Eisenkern ist ein Aktorelement angebracht, welches durch den Eisenkern verschoben wird. Bei dem Aktorelement handelt es sich bevorzugt um einen Ventilkörper, wenn der Aktor durch ein Schaltventil gebildet ist. Der Eisenkern kann aus Eisen oder aus einem anderen ferromagnetischen Material bestehen.
Zum Verschieben des Eisenkernes ist die Spule zu bestromen, wozu die elektrische Spule durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung
beaufschlagbar ist, wodurch ein Spulenstrom in der Spule bewirkt wird. Die
Steuerschaltung dient somit zum Betrieb des elektromagnetischen Aktors.
Während des mechanischen Einschaltvorganges wird der Eisenkern von einer Ausgangsposition in eine Endposition verschoben. Solang der Aktor mechanisch geschaltet ist, d. h. solang die Spulenspannung anliegt, verbleibt der Eisenkern in der Endposition. Wird die Spulenspannung abgeschaltet, kommt es zu einem
mechanischen Abschaltvorgang. Bei dem mechanischen Abschaltvorgang wird der Eisenkern zurück von der Endposition in die Ausgangsposition verschoben, wofür er beispielsweise durch eine Rückstellfeder getrieben wird. Der durch das
erfindungsgemäße Verfahren in verbesserter Weise messbare Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges ist dann gegeben, wenn der Eisenkern seine Endposition erreicht hat.
Die elektronische Steuerschaltung wird mit einer Betriebsspannung versorgt, sodass aus dieser eine Speisung des elektromagnetischen Aktors erfolgt. Bei einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein in der elektronischen Steuerschaltung angeordneter Kondensator geladen. Die Energie zum Laden des Kondensators wird der Betriebsspannung entnommen. Der Kondensator wird bevorzugt auf eine Kondensatorspannung geladen, die größer als die
Betriebsspannung ist. Hierfür wird bevorzugt ein Aufwärtswandler verwendet, dessen Induktivität durch die Spule des Aktors gebildet ist, während dessen Kapazität durch den zu ladenden Kondensator gebildet ist.
Bei einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kondensator entladen, um die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist. Diese Erhöhung der Spulenspannung führt insbesondere dazu, dass eine Stromanstiegsphase deutlich verkürzt wird, während der mechanische Einschaltvorgang ggf. nur geringfügig verkürzt wird. Die verkürzte Stromanstiegsphase erlaubt eine genauere Auswertung des Stromverlaufes nach der Stromanstiegsphase, wenn der mechanische
Einschaltvorgang vollendet wird. Es erfolgt ein Bestimmen des zeitlichen Verlaufes des Spulenstromes, um den Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges zu bestimmen. Aus dem gemessenen Endzeitpunkt des mechanischen
Einschaltvorganges kann auch auf die Dauer des mechanischen Einschaltvorganges geschlossen werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges bis zu dem gemessenen Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges erhöht. Somit unterbleibt das Entladen des Kondensators nach dem gemessenen Endzeitpunkt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spulenspannung beginnend mit dem mechanischen Einschaltvorgang erhöht. Folglich beginnt das Entladen des Kondensators mit dem Beginn des mechanischen
Einschaltvorganges. Der mechanische Einschaltvorgang beginnt, wenn die Spule mit der Spulenspannung beaufschlagt wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wert der Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung. Bei weiteren bevorzugten
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wert der
Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges mindestens drei Mal so groß wie die Betriebsspannung. Der Wert der Spulenspannung kann während des mechanischen Einschaltvorganges bis zu fünf Mal oder mehr als fünf Mal so groß wie die Betriebsspannung sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Kondensatorspannung des geladenen Kondensators mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kondensatorspannung des geladenen
Kondensators mindestens drei Mal so groß wie die Betriebsspannung. Die
Kondensatorspannung des geladenen Kondensators kann bis zu fünf Mal oder mehr als fünf Mal so groß wie die Betriebsspannung sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die Betriebsspannung festgelegt ist und nicht erhöht werden kann. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen gegeben, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wo die Betriebsspannung von einer Batterie abgegriffen wird.
Entsprechend ist die Betriebsspannung bevorzugt durch eine Batteriespannung gebildet. Die Batterie dient zum Speisen der Steuerschaltung und somit auch zum Betreiben des Aktors.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt der Spulenstrom während des Bestromens zunächst in der Stromanstiegsphase an. Die Stromanstiegsphase beginnt, wenn die Spulenspannung an die elektrische Spule angelegt wird. Der Spulenstrom steigt während der Stromanstiegsphase bevorzugt von Null bis zu einem Maximalstromwert an. Diesem Steigen des Spulenstromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. Beim Erreichen des
Maximalstromwertes ist eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktors erfolgt. An die Stromanstiegsphase schließt sich bevorzugt eine Spitzenstromphase an, in welcher der Spulenstrom von einem durch den Maximalstromwert gebildeten
Spitzenstromphasenanfangswert auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert auf einen Spitzenstrom phasenendwert steigt. Diesem Sinken und Steigen des Spulenstromes kann ein geringer
Wechselstromanteil überlagert sein. An die Spitzenstromphase schließt sich eine Haltestromphase an, in welcher der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt und dort verbleibt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zeitlich nach der Spitzenstromphase eine Auslaufphase, welche sich insbesondere an die Haltestromphase anschließt. Der zeitliche Beginn der Auslaufphase ist dadurch gegeben, dass die Spulenspannung abgeschaltet wird; d. h. dass der
elektromagnetische Aktor elektrisch abgeschaltet wird. Während der Auslaufphase sinkt der Spulenstrom von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null und steigt auf einen Auslaufphasenzwischenstromwert, woraufhin er vom
Auslaufphasenzwischenstromwert auf einen Auslaufphasenendstromwert sinkt. Der Auslaufphasenendstromwert ist bevorzugt Null.
Der mechanische Einschaltvorgang erstreckt sich bevorzugt bis in die
Spitzenstromphase. Der Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges ist bevorzugt bei Erreichen des Spitzenstromphasenzwischenwertes gegeben. Bevorzugt wird der Zeitpunkt des Erreichens des Spitzenstromphasenzwischenwertes
gemessen, um ihn als den Endzeitpunkt des mechanischen Einschaltvorganges zu verwenden.
Der Kondensator wird bevorzugt dann geladen, wenn der Aktor mechanisch abgeschaltet ist und keine Spulenspannung an die Spule angelegt ist. Der
Kondensator wird alternativ oder ergänzend bevorzugt zu Beginn der Haltestromhase geladen, während der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt. Der Kondensator wird alternativ oder ergänzend bevorzugt zu Beginn der Auslaufstrom hase geladen, während der Spulenstrom vom
Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kondensator durch einen Ladestrom geladen, der pulsweitenmoduliert wird. Ebenso wird der Kondensator durch einen Entladestrom entladen, der bevorzugt
pulsweitenmoduliert wird.
Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung dient zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil. Der elektromagnetische Aktor umfasst einen
Elektromagnetkern in Form eines Eisenkernes und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Eisenkern angeordnet ist. Der Eisenkern ist durch eine
Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar. Die elektrische Spule ist durch die elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung zu beaufschlagen, um die Spule durch einen Spulenstrom zu bestromen.
Die elektronische Steuerschaltung umfasst zumindest ein erstes elektronisches Schaltelement, einen Kondensator und eine Diode, welche so verschaltet sind, dass sie mit der anzuschließenden Spule einen Aufwärtswandler bilden. Somit kann der Kondensator auf eine Spannung geladen werden, die größer als eine
Betriebsspannung der elektronischen Steuerschaltung ist. Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt ein zweites Schaltelement zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator, sodass der geladene Kondensator über die Spule entladbar ist und die Spulenspannung auf einen Wert größer als die Betriebsspannung erhöht werden kann.
Das erste Schaltelement ist bevorzugt durch einen Transistor gebildet; besonders bevorzugt durch einen MOSFET.
Die elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt eine Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET und mit einem unteren MOSFET. Der untere MOSFET bildet bevorzugt das erste Schaltelement des Aufwärtswandlers. Die Diode ist bevorzugt durch eine Schottky-Diode gebildet. Der Kondensator ist bevorzugt durch einen Elektrolytkondensator gebildet. Die Halbbrückenschaltung umfasst bevorzugt weiterhin ein elektronisches
Freilaufelement, welches bevorzugt mit dem oberen MOSFET verschaltet ist. Das Freilaufelement ist bevorzugt durch einen MOSFET oder durch eine Schottky-Diode gebildet. Das zweite Schaltelement bildet ein Erhöhungsschaltelement, da es zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator dient. Das zweite
Schaltelement ist bevorzugt durch einen MOSFET gebildet.
Die erfindungsgemäße elektronische Steuerschaltung ist bevorzugt zum Ansteuern bzw. zum Betreiben mehrerer der elektromagnetischen Aktoren ausgebildet. Hierfür umfasst die elektronische Steuerschaltung mehrere Einzelsteuerungen für jeweils einen der mehreren elektromagnetischen Aktoren. Jede der Einzelsteuerungen umfasst eines der ersten Schaltelemente und eine der Dioden. Der Kondensator steht für die gesamte elektronische Steuerschaltung zur Verfügung, d. h. für jede der Einzelsteuerungen. Das erste Schaltelement und die Diode einer jeden der
Einzelsteuerungen und der eine Kondensator der gesamten elektronischen
Steuerschaltung sind so verschaltet, dass sie mit der an die jeweilige Einzelsteuerung anzuschließenden Spule einen Aufwärtswandler bilden. Neben dem Kondensator steht bevorzugt auch das zweite Schaltelement für die gesamte elektronische
Steuerschaltung zur Verfügung. Das eine zweite Schaltelement ist so verschaltet, dass es zum elektrischen Schalten einer jeden der anzuschließenden Spulen an den Kondensator ausgebildet ist, sodass der geladene Kondensator über die jeweilige Spule entladbar ist. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist bevorzugt zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist die erfindungsgemäße Steuerschaltung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes im Ergebnis der
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik;
Fig. 2 einen erfindungsgemäß durchzuführenden Ladevorgang;
Fig. 3 einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
Fig. 4 einen Schaltplan einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Steuerschaltung; und
Fig. 5 einen Schaltplan einer abgewandelten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Steuerschaltung.
Fig. 1 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes 01 im Ergebnis der
Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Verfahrens im Vergleich zu einem zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes 02 gemäß dem Stand der Technik. Der Spulenstrom 01 fließt in einer elektrischen Spule 03 (gezeigt in Fig. 3) eines elektromagnetischen Aktors (nicht gezeigt), in welchem ein Eisenkern (nicht gezeigt) bewegt wird. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich insbesondere um ein Schaltventil.
Der Spulenstrom 01 , 02 steigt nach der Beaufschlagung der Spule 03 (gezeigt in Fig. 3) durch eine Spulenspannung während einer Stromanstiegsphase 04, 05 an und durchläuft eine Spitzenstrom phase 06, 07, woraufhin er bis zum Ende der Beaufschlagung durch die Spulenspannung in einer Haltestrom phase 08 verbleibt. Nach der Beaufschlagung durch die Spulenspannung schließt sich eine
Auslaufstrom phase 09 (gezeigt in Fig. 2) an. Erfindungsgemäß wird die Spulenspannung in der Stromanstiegsphase 04 auf einen Wert höher als eine Betriebsspannung erhöht, sodass ein
Spitzenstromphasenanfangswert 1 1 des Spulenstromes 01 früher als ein
Spitzenstromphasenanfangswert 12 des Spulenstromes 02 gemäß dem Stand der Technik erreicht wird. Der Spulenstrom 01 sinkt in der Spitzenstromphase 06 anschließend auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert 13. In gleicher weise sinkt gemäß dem Stand der Technik der Spulenstrom 02 auf einen
Spitzenstromphasenzwischenwert 14. Beim Erreichen des
Spitzenstromphasenzwischenwert 13, 14 ist eine mechanische Einschaltdauer 16 abgeschlossen, da ein mechanischer Einschaltvorgang des Aktors (nicht gezeigt) beendet ist und der Aktor sich in einem geschalteten Zustand befindet. Der erfindungsgemäß erzielte Spitzenstromphasenzwischenwert 13 liegt zeitlich nur unwesentlich vor dem gemäß dem Stand der Technik erzielten
Spitzenstromphasenzwischenwert 14, sodass sich die mechanische Einschaltdauer 16 durch die Erfindung kaum ändert. Jedoch liegt der erfindungsgemäß erzielte Spitzenstromphasenanfangswert 1 1 zeitlich deutlich vor dem gemäß dem Stand der Technik erzielten Spitzenstromphasenanfangswert 12. Somit ist eine
erfindungsgemäß erzielte Detektierungszeit 17 zum Erkennen des
Spitzenstromphasenzwischenwertes 13 deutlich länger als eine gemäß dem Stand der Technik erzielte Detektierungszeit 18 zum Erkennen des
Spitzenstromphasenzwischenwertes 14. Die deutlich längere Detektierungszeit 17 erlaubt eine verbesserte Feststellung des Zeitpunktes des Erreichens des
Spitzenstromphasenzwischenwertes 13, sodass die mechanische Einschaltdauer 16 genauer bestimmt werden kann. Die gemäß dem Stand der Technik erzielte
Detektierungszeit 18 zum Erkennen des Spitzenstromphasenzwischenwertes 14 ist sehr kurz und führt zu großen Ungenauigkeiten beim Feststellen des Zeitpunktes des Erreichens des Spitzenstromphasenzwischenwertes 14, sodass die mechanische Einschaltdauer 16 entsprechend ungenau gemessen wird. Der Zeitpunkt des Spitzenstromphasenzwischenwertes 13 stellt somit einen
Endzeitpunkt der mechanischen Einschaltdauer 16 dar.
Das erfindungsgemäße Erhöhen der Spulenspannung in der Stromanstiegsphase 03 auf einen Wert höher als die Betriebsspannung erfolgt durch Entladen eines
Kondensators 20 (gezeigt in Fig. 3). Das Laden des Kondensators 20 wird in Fig. 2 näher erläutert.
Fig. 2 zeigt zeitliche Phasen eines erfindungsgemäß bevorzugt durchzuführenden Ladevorganges zum Laden des Kondensators 20 (gezeigt in Fig. 3). Zunächst ist wie in Fig. 1 der zeitliche Verlauf des Spulenstromes 01 dargestellt. Es sind insbesondere die Stromanstiegsphase 04, die Spitzenstromphase 06, die Haltestromphase 08 und die Auslaufstrom phase 09 dargestellt, die sich in einer Schaltphase 21 befinden, in welcher der Aktor (nicht gezeigt) mechanisch eingeschaltet, gehalten und
abgeschaltet wird. Nach der Schaltphase 21 folgt eine Ruhephase 22, sobald das Abschalten des Aktors abgeschlossen ist und der Spulenstrom 01 unverändert Null bleibt.
Es sind eine erste Ladephase 23, eine zweite Ladephase 24 und eine dritte
Ladephase 26 dargestellt, die bevorzugt alternativ oder gemeinsam genutzt werden, um den Kondensator 20 (gezeigt in Fig. 3) erfindungsgemäß zu laden. Die erste Ladephase 23 liegt am Beginn der Haltestrom phase 08, während der Spulenstrom 01 sinkt. Die zweite Ladephase 24 liegt am Beginn der Auslaufstrom phase 09, während der Spulenstrom 01 auf Null sinkt. Die dritte Ladephase 26 liegt in der Ruhephase 22. In der dritten Ladephase 26 ist ein zeitlicher Verlauf eines Ladestromes 27 zum Laden des Kondensators 20 (gezeigt in Fig. 3) dargestellt. Der Ladestrom 27 ist
pulsweitenmoduliert.
Fig. 3 zeigt einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Steuerschaltung, die zur Ausführung des in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Verfahrens ausgebildet ist. Die Steuerschaltung wird durch eine Batterie 30 versorgt. Eine Spannung der Batterie stellt somit die Betriebsspannung dar.
Parallel zur Batterie 30 ist ein Stützkondensator 31 geschaltet. Die Steuerschaltung umfasst, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine
Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET 32 und einem unteren MOSFET 33 sowie einem Freilauf-MOSFET 34. Der untere MOSFET 33 ist über einen Shunt 36 gegen Masse geschaltet. Erfindungsgemäß umfasst die Steuerschaltung weiterhin eine Schottky-Diode 38 und den Kondensator 20 in Form eines
Elektrolytkondensators, die gemeinsam mit dem unteren MOSFET 33 und der Spule 03 einen Aufwärtswandler bilden, der auch als DC-DC-Wandler bezeichnet werden kann. Die Steuerschaltung; insbesondere der untere MOSFET 33 wird so angesteuert, dass eine Kondensatorspannung am Kondensator 20 mindestens anderthalb mal so groß wie die Batteriespannung wird.
Die Steuerschaltung umfasst weiterhin einen Erhöhungs-MOSFET 39, mit welchem die gegenüber der Batteriespannung erhöhte Kondensatorspannung des
Kondensators 20 an die Spule 03 geschaltet werden kann.
Da die Kondensatorspannung des Kondensators 20 höher als die Batteriespannung der Batterie 30 wird, umfasst die Steuerschaltung eine weitere Diode 41 vor der Batterie 30. Fig. 4 zeigt einen Schaltplan einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Diese Ausführungsform ist zum Betreiben mehrerer der elektromagnetischen Aktoren (nicht gezeigt) ausgebildet, sodass mehrere der Spulen 03 zu bestromen sind. Hierfür umfasst die elektronische
Steuerschaltung mehrere Einzelsteuerungen 43 zum Bestromen jeweils einer der Spulen 03 der elektromagnetischen Aktoren (nicht gezeigt). Jede der
Einzelsteuerungen 43 umfasst den oberen MOSFET 32, den unteren MOSFET 33, den Freilauf-MOSFET 34, den Shunt 36 und die Schottky-Diode 38 wie die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform. Der Kondensator 20 und der Erhöhungs-MOSFET 39 sind nur ein einziges Mal vorhanden, da diese für alle Einzelsteuerungen 43 genutzt werden.
Fig. 5 zeigt einen Schaltplan einer abgewandelten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Diese Ausführungsform ist gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform insoweit abgewandelt, dass sie Freilauf-Schottky- Dioden 46 statt der Freilauf-MOSFET 34 aufweist.
Bezugszeichenliste
Spulenstrom
Spulenstrom
elektrische Spule
Stromanstiegsphase
Stromanstiegsphase
Spitzenstromphase
Spitzenstromphase
Haltestromphase
Auslaufstrom phase Spitzenstromphasenanfangswert
Spitzenstromphasenanfangswert
Spitzenstromphasenzwischenwert / Endzeitpunkt eines Einschaltvorganges Spitzenstromphasenzwischenwert / Endzeitpunkt eines Einschaltvorganges mechanische Einschaltdauer
Detektierungszeit
Detektierungszeit Kondensator
Schaltphase
Ruhephase
erste Ladephase
zweite Ladephase dritte Ladephase
Ladestrom
Batterie Stützkondensator oberer MOSFET unterer MOSFET Freilauf-MOSFET Shunt Schottky-Diode
Erhöhungs-MOSFET Diode Einzelsteuerung
Freilauf-Schottky-Diode

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Verbessern der Messbarkeit eines Endzeitpunktes (13) eines mechanischen Einschaltvorganges (16) eines elektromagnetischen Aktors, wobei in dem elektromagnetischen Aktor ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (03) verschiebbar ist, die durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar ist, um die Spule (03) durch einen Spulenstrom (01 ) zu bestromen; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Versorgen der elektronischen Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung;
- Laden eines in der elektronischen Steuerschaltung angeordneten
Kondensators (20); und
- Entladen des Kondensators (20), um die Spulenspannung während des
mechanischen Einschaltvorganges (16) auf einen Wert zu erhöhen, der größer als die Betriebsspannung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) auf eine Kondensatorspannung geladen wird, die größer als die
Betriebsspannung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Spulenspannung während des mechanischen Einschaltvorganges (16) mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung durch eine Batteriespannung gebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenstrom (01 ) während des Bestromens in einer Stromanstiegsphase (04) steigt, an welche sich eine Spitzenstrom phase (06) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01 ) von einem Spitzenstromphasenanfangswert (1 1 ) auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert (13) sinkt und vom
Spitzenstromphasenzwischenwert (13) auf einen Spitzenstrom phasenendwert steigt, wobei sich an die Spitzenstrom phase (06) eine Haltestromphase (08) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01 ) bis in einen Haltestromwertbereich sinkt, und wobei sich an die Haltestrom phase (06) eine Auslaufstrom phase (09) anschließt, in welcher der Spulenstrom (01 ) von einem
Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Einschaltvorgang (16) mit der Stromanstiegsphase (04) beginnt und sich bis in die Spitzenstrom phase (06) erstreckt, wobei der Endzeitpunkt (13) des mechanischen Einschaltvorganges (16) bei Erreichen des
Spitzenstromphasenzwischenwertes (13) gegeben ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kondensator (20) zu Beginn der Haltestrom hase (08) geladen wird, während der Spulenstrom (01 ) bis in den Haltestromwertbereich sinkt, und/oder dass der Kondensator (20) zu Beginn der Auslaufstromphase (09) geladen wird, während der Spulenstrom (01 ) auf Null sinkt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) geladen wird, wenn der Aktor mechanisch abgeschaltet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) durch einen Ladestrom (27) geladen wird, und dass der Kondensator (20) später durch einen Entladestrom entladen wird, wobei der Ladestrom (27) und/oder der Entladestrom pulsweitenmoduliert wird.
10. Elektronische Steuerschaltung zum Ansteuern eines elektromagnetischen
Aktors, in welchem ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (03) verschiebbar ist; wobei die Steuerschaltung ein erstes elektronisches Schaltelement (33), einen Kondensator (20) und eine Diode (38) umfasst, welche so verschaltet sind, dass sie mit der anzuschließenden Spule (03) einen Aufwärtswandler bilden.
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