CN107949892A - 用于确定电磁执行器的能够移动的电枢的位置的方法和电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电磁执行器（101）的能够移动的电枢（103）的位置的方法以及一种用于确定电磁执行器（101）的电枢（103）的位置的电路装置，所述电枢能够借助对所述电磁执行器（101）的线圈（102）的操控来移动，其中，所述电枢（103）的位置（x）在考虑能振动的电***中的振动信号的频率的情况下被确定，并且其中，所述线圈（102）作为所述能振动的电***的影响频率的元件来被使用。

Description

用于确定电磁执行器的能够移动的电枢的位置的方法和电路 装置

技术领域

本发明涉及用于确定电磁执行器的电枢的位置的方法以及电路装置，该电枢能够借助对电磁执行器的线圈的操控来移动。

背景技术

已知具有电枢和线圈的电磁执行器，其中，电枢能够移动，其方式是，对线圈通电（bestromen）。这样的电磁执行器经常应用在磁阀中，例如用于液压应用。在此，可以将这样的磁阀作为比例阀使用，其方式是，例如以脉宽调制的方式操控线圈。在此，基于电感调节线圈中的平均电流。作为用于磁力的反作用力，在此可以设置弹簧，然而例如也可以设想其他的线圈。

然而，电枢的实际位置和因此例如连接到该电枢上的控制滑阀（Steuerschieber）等的实际位置在此经常与基于操控而在理论上预给定的位置不一致。其原因可能是例如在液压***管路中的污物或不同的压力，其反作用于电枢。

为了确定电枢的或所连接的控制滑阀的实际位置，已知测量设备或测量方法，其中，设有一个或多个测量线圈，在这一个或多个测量线圈中，与电枢连接的活塞以相应于该电枢的位置的方式被来回移动。测量线圈的信号在此取决于活塞相对于测量线圈的位置。这样的测量设备或测量方法例如从DE 101 21 770 A1、DE 42 08 367 A1或 DE 197 24076 A1中已知。

从DE 197 36 773 A1中已知类似的方法，然而其中，使用磁场传感器用于检测线圈的磁场。该方法在此基于以下事实：通过所线圈产生的磁场根据电枢位置来变化。

用于确定电磁执行器的能够移动的电枢的位置的另外的方法例如由“Pawelczak，Dieter 2005年的Nutzung inhärenter Messeffekte von Aktoren und Methoden zursensorlosen Positionsmessung im Betrieb（对执行器的固有测量效果的利用和用于在运行中以无传感器的方式来测量位置的方法），慕尼黑，联邦国防军大学，博士论文，2005年”已知。

发明内容

根据本发明，提出一种具有独立专利权利要求的特征的用于确定电磁执行器的能够移动的电枢的位置的方法以及电路装置。有利的构型是从属权利要求的以及以下描述的主题。

本发明的优点

根据本发明的方法用于确定电磁执行器的电枢的位置，电枢借助对电磁执行器的线圈的通电能够移动。为此，电枢的位置在考虑能振动的电***中的振动信号的频率的情况下被确定，其中，线圈作为能振动的电***的影响频率的元件来被使用。线圈在此尤其可以作为唯一的影响频率的元件来被使用。

电枢在电磁执行器中的位置的仅仅微小的移位产生线圈中的电流的或其变化过程的也仅仅微小的变化。这样的微小的变化虽然理论上能够测量，然而这在实践上几乎无法执行，因为合适的扫描设备的分辨率通常对于此并不足够。本发明现在充分利用：使电流的这样的微小的变化在电流变化过程的频率方面以及因此在能振动的***的频率方面是能够察觉的，因为每个周期的变化累加（aufaddieren）并且因此能够更容易地测量。尤其以这种方式也可以将电磁执行器的线圈自身用于确定电枢的位置并且因此不需要附加的测量设备。由此节省成本。

有利地，为了确定能振动的电***中的振动信号的频率，当由线圈上的电压得出的线圈电流分别达到上阈值或下阈值的时候，交替地在两个值之间来回切换线圈上的电压，并且使用开关频率作为振动信号的频率。作为这两个值，在此可以在最简单的情况下使用电源电压或电源电压的一部分和零或分离的电压供应。这尤其是实现这样的能振动的***的特别简单的可能性。

有利的是，将相应于线圈电流的测量电压和参考电压输送给比较器（Komparator），并且其中，比较器被用于切换线圈上的电压。这是产生交变电压的一种简单的可能性。测量电压可以例如通过分流电阻或互阻放大器来产生。

对于比较器可替代地，借助通过线圈电流所控制的触发电路进行线圈上的电压的切换。对于此可以使用以下开关，诸如晶体管：利用这些开关通过电容器产生交变电压，电容器通过上升的和下降的线圈电流来被交替地充电和放电。借此也可以以简单的方式产生交变电压并且量取线圈电流的频率。

优选地，由频率确定电枢的位置，其方式是，在考虑线圈的欧姆电阻的情况下由频率确定线圈的电感，并且由线圈的电感确定该位置。这尤其当线圈被用作为唯一的影响频率的部件的情况下是可能的。在施加电压的情况下线圈中的电流的上升和在零电压或分离的电压供应的情况下该电流的下降在此仅仅取决于线圈的欧姆电阻和电感。该方法因此尤其也与电源电压中的波动无关。电感越高，例如上升就越慢。通过该频率可以因此在已知的欧姆电阻的情况下推断出线圈的电感。该电感又取决于电枢相对于线圈的位置。电感与电枢的位置之间的关联可以在此例如被存储在相应的表格中。这因此是用于确定电枢的位置的简单的可能性。对于详细的阐述应在此参考附图描述。

有利地，通过施加预先确定的恒定电压到线圈上并确定线圈电流来确定线圈的欧姆电阻。如果线圈的欧姆电阻不是已知的，则可以以简单的方式来确定该欧姆电阻，其方式是，施加预先确定的恒定电压到线圈上并且测量线圈电流。在此应注意，在测量欧姆电阻期间，必须利用交变电压来中断线圈的操控。以这种方式也可以在确定电枢的位置时考虑线圈的温度，该温度作用于线圈的欧姆电阻。优选地，在此也可以如此相互协调交变电压与恒定电压之间的切换，使得直接在施加恒定电压之前存在以下线圈电流：该线圈电流相应于在略微小于预先确定的恒定电压的情况下可能达到的电流。因此，对于电阻实现尽可能短的测量持续时间，因为电流不需要长时间地瞬态振荡。例如，可以在130mV的预先确定的电压的情况下等待线圈中的如下电流，该电流可能相应于在大致100mV的恒定电压情况下的电流。

有利地，电枢的位置包括与在不存在对线圈进行的使该电枢移动的通电的情况下的该电枢的终点位置相应的位置。在不存在这样的使该电枢移动的通电的情况下，电压不受影响，其中该电压的频率被确定，由此实现更准确的测量。以这种方式可以非常简单地检查电枢的终点位置。此外，在此可以由频率非常简单地通过以下方式来确定该电枢的位置：将所测量的频率与相应于在未通电的状态中电枢的终点位置的频率进行比较。在此可以例如对于磁阀一次性地确定并且存储相应于该电枢的终点位置的频率。此外，也可以考虑在通电状态情况下终点位置的频率。在此应注意，对此不考虑以下磁阀：这些磁阀的安全状态（例如关闭）在完全通电的线圈的情况下存在。然而对于绝大多数的应用情况来说不是这种情况，因为安全的状态通常是不通电的状态。

优选地，由电枢的位置确定与电枢连接的组件的位置。尤其使用电磁执行器用于控制磁阀、尤其是比例磁阀、进一步地尤其用于液压应用，其中，电枢与控制滑阀连接，并且在此，由电枢的位置确定控制滑阀的位置。如一开始已经提到的那样，在这样的磁阀中，控制滑阀的准确位置通常是令人感兴趣的。由电枢的位置可以非常简单地推断出组件的或控制滑阀的位置，其方式是，考虑几何尺寸。

根据本发明的电路装置用于确定电磁执行器的电枢的位置，该电枢借助电磁执行器的线圈的通电能够移动。该电路装置在此具有：操控装置，该操控装置被设立用于，操控能振动的***，能该振动的***具有线圈作为影响频率的元件；频率检测装置，该频率检测装置被设立用于确定以下频率：在该能振动的***中的信号以该频率振动；评估装置，该评估装置被设立用于，由该频率确定电枢的位置。该电路装置尤其可以如此构造，使得线圈是该能振动的电***的唯一的影响频率的元件。

有利的是，操控装置还被设立用于，在考虑线圈电流的情况下交替地在两个值之间来回切换线圈上的电压。这样的电路装置因此是一种类型的振荡器布线（Oszillatorbeschaltung），其中，该线圈用作进行时间确定的元件。

优选地，该电路装置也具有用于执行根据本发明的方法的装置。

关于根据本发明的电路装置及其根据本发明的应用的优点应参考对于根据本发明的方法的上述实施方案，以便避免重复。

本发明的另外的优点和构型由说明书和附图中得出。

理解为，先前提到的和下面还要阐述的特征不仅仅能够以分别所说明的组合的方式而且也能够以其他组合的方式或单独设定的方式应用，而不偏离本发明的范围。

附图说明

根据实施例在附图中示意性地示出并且在下文中参考附图详细描述本发明。

图1示意性地示出磁阀，其中，能够执行根据本发明的方法；

图2示意性地以一种优选的实施方式示出根据本发明的电路装置；

图3以一种优选的实施方式根据电压变化过程示出线圈上的电压的按照根据本发明的方法的产生；

图4以更详细的示图示出图2中的电路装置；

图5a和5b以一种优选的实施方式示出在根据本发明的方法中对于不同的电枢位置，电磁执行器的线圈中的电流变化过程；

图6a和6b以一种优选的实施方式示出在根据本发明的方法中在线圈上的恒定电压的情况下的电压变化过程；

图7以另一种优选的实施方式示意性地示出根据本发明的电路装置。

具体实施方式

在图1中示意性地示出磁阀101，其中，能够执行根据本发明的方法。磁阀101具有电磁执行器101，该电磁执行器又具有线圈102和在线圈中能够移动的电枢103，其中该磁阀在此被构造为比例阀。

控制滑阀104与电枢103连接，控制滑阀可以在阀壳体106中被来回移动。控制滑阀104借助弹簧105相对阀壳体106的末端支撑。通过操控电磁执行器101来使电枢103被移动并且因此相对该弹簧105来挤压阀滑动装置104。以这种方式可以改变电枢103的或阀滑动装置104的位置。为此可以例如（通过在此未示出的连接端）以脉宽调制的方式进行对线圈102的操控。

通过阀滑动装置104的移动，调节通过阀壳体106从连接端A至连接端B的流量（Durchfluss）。理解为，这样的阀的连接端也可以构型得不同。同样可以存在更多的连接端，这些连接端由阀滑动装置来控制。

在图2中示意性地并且简化地以一种优选的实施方式示出根据本发明的电路装置200。对于线圈12在此仅仅示出其电感L。通过电阻R35施加电压V2到线圈102上，该电压可以在两个值之间来回被变换或切换。

电压V2在此通过操控装置210关断和接通。操控装置210为此具有比较器或比较装置（Vergleicher）K2，其通过电源电压V+被供电并且在比较器或比较装置的非反向输入端上施加参考电压U_R，该参考电压通过具有电阻R2和R3的分压器由电源电压V+来产生并且通过电阻R1与其自身的输出电压反向耦合。

在比较器K2的反向输入端上经由电阻R37来施加测量电压U_I，测量电压相应于在线圈102中流动的电流。以这种方式，操控装置210以施密特（Schmitt）触发器的方式产生方波信号，利用该方波信号接通和关断电压V2。

在图3中根据电压变化过程示出电压V2的产生。在此，在两个图表中分别相对于时间t绘出电压U。

相应于线圈102中的线圈电流的测量电压U_I在此通过电流检测装置220来被确定，电流检测装置在此具有运算放大器K3作为互阻放大器。

如果现在例如一开始在时间点t₀施加电压U到线圈102上，则线圈电流I根据公式

经时间t上升。R_L在此表示线圈102的欧姆电阻。如果线圈电流I或者与该线圈电流相应的测量电压U_I现在例如在时间点t₁达到上阈值U_R,2并且因此测量电压U_I超过参考电压U_R，就如在图3的上方图表中所示出的那样，则线圈上的电压通过比较器被例如切换到零或接地并且线圈电流I根据以下公式下降：

。

在线圈电流I或相应于该线圈电流的测量电压U_I现在例如在时间点t₂已经达到下阈值U_R,1并且因此测量电压U_I低于现在更低的参考电压U_R（该参考电压取决于比较器的输出电压）之后，则通过比较器K3又将线圈上的电压V2切换到事先施加的电压。关于图3应注意，当两个电阻R2和R3被选择得一样大的时候，具有两个极限值U_R,1和U_R,2的参考电压U_R现在围绕半个电源电压V+来回摆动（pendeln）。施密特触发器的滞后大小通过R1来限定。

如下频率可以例如利用频率检测装置260来在操控装置210的或比较器K2的输出端上被量取并且被输送给评估装置270，利用该频率来回切换线圈电流I或者利用该频率来回切换施加在线圈上的电压V2。在所述评估装置中，现在可以由该频率间接地（例如经由线圈102的电感L）或者直接地（例如通过与参考值进行比较）来确定电枢103的位置x。

该频率或该频率的数量级在此可以通过对参与电路装置的部件的参量的合适选择来大致调节到所期望的值。该频率的最终所测量的、准确的值在此自然取决于该线圈的电感或者电枢位置。

在图4中更详细地示出图2中的电路装置200。由操控装置210所提供的电压在此例如通过电路230被引导到线圈102上。电路230在此电压稳定地、尤其在温度上也电压稳定地起作用，并且具有运算放大器K5。通过开关（例如MOSFET）M1可以在此将由操控装置210所提供的电压施加到线圈102上。二极管D4在此用作负电压的限制并且二极管D3用作在线圈通电的情况下对到电源电压中的反馈的阻止。

电流检测装置220的运算放大器K3在此除到线圈102的连接端之外还具有通过具有电阻R9和R10的分压器到电压供应V+的连接端。因此，提供正的偏移电压，以便使运算放大器K3可以利用所谓的“单电源供电（single supply）”电压供应（通过线圈）来工作。此外，电流检测装置220具有另一运算放大器K1。

此外设有另外的操控装置240，该另外的操控装置表示简单的末级模型并且由此可以施加恒定电压，例如120mV到线圈102上。此外，设有MOSFET M2，MOSFET M2在线圈上的负电压的情况下变得导通并且因此保护MOSFET M1免受高电压。此外示出一排空载二极管260。

MOSFET M3当其未通电的时候是高欧姆的。线圈电流于是由放大器K3提供。如果线圈以正的方式被通电，则线圈电流可以通过漏极源极二极管来被驱动。如果线圈以负的方式被通电，则M3变得导通。M3于是可以吸收线圈电流并且保护运算放大器K3免受负的输入电压。

在图4中所示出的并且还未提到的、未设有附图标记的其余电阻和电容器可以在此被合适地选择。在此尤其应强调，在电路装置200中所示出的电容器仅仅用于限制运算放大器的或比较器的带宽并且不影响振荡线圈电流的频率。

在图5a中在根据本发明的方法情况下以一种优选的实施方式示出对于不同的电枢位置的、电磁执行器的线圈中的电流变化过程。在此，绘出经时间t的线圈电流I。

电流变化过程I₁和I₂在此相应于针对于略微不同的电枢位置的线圈电流，在此示例性地具有约0.2mm的区别。电流变化过程的值在此例如在约600mA和约400mA之间振荡。周期持续时间例如处在约1.7ms处。

在此应看出，这些变化过程虽然不同，然而利用扫描仅仅能够困难地被区分。

在图5b中现在又示出相同的电流变化过程，然而经更长的时间段，例如在约100ms内。在此明显应看出，这两个电流变化过程I₁和I₂随着时间相互分散（auseinanderlaufen），这归因于这两个电流变化过程的不同频率。这表明，由该频率也可以确定电枢位置的微小的移位。

在图6a中在根据本发明的方法的情况下以一种优选的实施方式示出在线圈上的恒定电压的情况下的两个电压变化过程。在此，相对于时间t绘出电压U。

这两个变化过程U₃和U₄在此相应于，如当施加例如120mV的恒定电压时在电路装置的电流检测装置上施加的电压那样的电压。这两个变化过程U₃和U₄因此相应于不同的线圈电流，更确切地说，对于线圈的不同的欧姆电阻。

在所示出的情况中应看出，在关于线圈电流的当前振荡不利的时间点施加恒定电压，从而使电流必须首先瞬态振荡。这要求一定的时间。

在图6b中现在示出电流变化过程U'₃和U'₄，它们相应于与在图6a 的情况下相同的电阻，然而施加120mV的恒定电压的时间点与电流的振荡相协调。这表明，由此不需要长的瞬态振荡时间并且因此可以更快地进行电阻测量。这样的电阻测量例如持续20ms至30ms之间。

优选地，最后的测量值也可以通过S&H电路（Sample & Hold(采样和保持)）来被存储并且作为参考值被输送给比较器，该比较器同步测量时间点。这是可能的，因为线圈的温度变化仅仅具有非常微小的动态。

在图7中以另一种优选的实施方式示意性地示出根据本发明的电路装置300。线圈102在此以具有自身的电感L、自身的串联欧姆电阻R_L、自身的并联欧姆电阻R'_L以及自身的电容C_L的方式来被示出。

线圈102的电压供应在此通过电压源V1来进行，电压源通过操控装置310来在两个值之间被来回切换，操控装置在此具有触发电路。该触发电路为此具有两个晶体管Q12和Q11，这两个晶体管通过电容器C11或C12来***控。根据当前的线圈电流I而定地，对电容器充电和放电，从而对所属的晶体管进行开关。该电路从原理上相应于非稳态多谐振荡器。

其余的组成部分，例如频率检测装置和评估装置在此未被示出，然而可以如在图2中所示出的那样被简单地集成在合适的位置上。

Claims (16)

1.一种用于确定电磁执行器（101）的能够移动的电枢（103）的位置的方法，其中，所述电枢能够借助对所述电磁执行器（101）的线圈（102）的通电来移动，

其中，所述电枢（103）的所述位置（x）在考虑能振动的电***中的振动信号的频率的情况下被确定，其中，所述线圈（102）作为所述能振动的电***的影响频率的元件来被使用。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了确定所述能振动的电***中的所述振动信号的所述频率，当由所述线圈上的电压得出的线圈电流（I）分别达到上阈值或下阈值的时候，交替地在两个值之间来回切换所述线圈（102）上的电压，并且使用开关频率作为所述振动信号的频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将相应于所述线圈电流（I）的测量电压（U_I）和参考电压（U_R）输送给比较器（K2），并且其中，所述比较器（K2）被用于切换所述线圈（102）上的所述电压。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，借助通过所述线圈电流（I）所控制的触发电路（310）进行所述线圈（102）上的所述电压的所述切换。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述频率确定所述电枢（103）的所述位置（x），其方式是，在考虑所述线圈的欧姆电阻（R_L）的情况下由所述频率确定所述线圈的电感（L），并且由所述线圈的所述电感（L）确定所述电枢（103）的所述位置（x）。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过施加预先确定的恒定电压到所述线圈（102）上并确定所述线圈电流（I）来确定所述线圈的所述欧姆电阻（R_L）。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电枢（103）的所述位置（x）包括与在不存在对所述线圈（102）进行的使所述电枢（103）移动的通电的情况下的所述电枢（103）的终点位置相应的位置。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述电枢（103）的所述位置（x）确定与所述电枢（103）连接的组件（104）的位置（x'）。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，使用所述电磁执行器（101）用于控制磁阀（100）、尤其是比例磁阀、进一步地尤其用于液压应用，其中，所述电枢（103）与控制滑阀（104）连接，并且其中，由所述电枢（103）的所述位置（x）确定所述控制滑阀（104）的所述位置（x'）。

10.一种用于确定电磁执行器（101）的能够移动的电枢（103）的位置（x）的电路装置（200，300），所述电枢能够借助对所述电磁执行器（101）的线圈（102）的通电来移动，所述电路装置具有：

操控装置（210，310），所述操控装置被设立用于操控能振动的电***，所述能振动的电***具有线圈（102）作为影响频率的元件；

频率检测装置（260），所述频率检测装置被设立用于确定以下频率：在所述能振动的***中的信号以所述频率振动；和

评估装置（270），所述评估装置被设立用于由所述频率确定所述电枢（102）的位置（x）。

11.根据权利要求10所述的电路装置（200，300），其中，所述操控装置还被设立用于在考虑线圈电流（I）的情况下交替地在两个值之间来回切换所述线圈（102）上的电压。

12.根据权利要求11所述的电路装置（200，300），所述电路装置具有电流检测装置（220），所述电流检测装置被设立用于检测所述线圈电流（I）。

13.根据权利要求12所述的电路装置（200），所述电路装置还具有另外的操控装置（240），所述另外的操控装置被设立用于施加预先确定的恒定电压到所述线圈上。

14.根据权利要求12或13所述的电路装置（200），其中，所述操控装置（210）包括比较器（K2），所述比较器利用反向输入端被连接到所述电流检测装置（220）上并且在所述比较器上在非反向输入端上施加参考电压（U_R）。

15.根据权利要求12或13所述的电路装置（300），其中，所述操控装置（310）包括通过所述线圈中的所述电流（I）所控制的触发电路。

16.一种根据权利要求9至15中任一项所述的电路装置（200，300）的应用，所述电路装置用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。