DE102020102313A1

DE102020102313A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung einer elektromagnetisch betriebenen Bremse

Info

Publication number: DE102020102313A1
Application number: DE102020102313.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Fehrenbach; Jörg Hornberger; Wolfgang Hermann; Volker Meßmer
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung (1) zum Ansteuern einer elektromagnetisch energetisierten Bremsenspule (11) einer Bremse (B), die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator (10) und eine korrespondierende Ankerplatte (12) angesteuert wird, um beim Aktivieren die Ankerplatte (12) aus einer Bremsblockierposition (BBP) in eine an oder in Richtung der Spule (10) orientierte Freigabeposition (FGP) zu betätigen, in welcher die Bremsenspule (10) mit einer bestimmten elektrischen Energie versorgt wird, um das Halten der Ankerplatte (12) aufgrund elektromagentischer Kräfte zwischen der Ankerplatte (12) und der Bremsenspule (11) zu bewirken, um dadurch einen Fahrbetrieb zu ermöglichen, umfassend eine Spannungswandlerschaltung (20) zum wahlweise Bereitstellen der einer nicht gewandelten Betriebsspannung UBund einer daraus von der Spannungswandlerschaltung (20) erhöhten Aktivierungsspannung UA, wobei die Betriebsspannung UBbetragsmäßig so ausgelegt ist, dass die dadurch erzeugte elektromagentischer Haltekraft ausreicht, die Ankerplatte (12) in der Freigabeposition zu fixieren, während die Aktivierungsspannung UAbetragsmäßig größer ist, um die Ankerplatte (12) von der Bremsblockierposition (BBP) in die Freigabeposition (FGP) zu überführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung einer elektromagnetisch betriebenen Bremse, insbesondere einer Bremseinrichtung eines Fahr-Lenk-Systems (FLS), welches über einen bzw. mehrere Elektromotoren steuerbar ist und insbesondere eine Ansteuerung derart erfolgt, dass das Rad des Fahr-Lenk-Systems (FLS) mittels eines Überlagerungsgetriebes um eine Radachse rotiert bzw. angetrieben und um eine Lenkachse lenkbar ist.
Zum Bremsen eines Fahr-Lenk-Systems (FLS) wird zum Beispiel eine Bremsenspule verwendet. Das Ausschalten eines Bremsenaktuators der Bremsenspule führt dann zum Einfallen der Bremse, so dass z. B. eine Blockierung über mechanische Eingriffselemente erfolgt, die durch das Ausschalten des Bremsenaktuators in den Bremseingriff gelangen.
Um die Bremse zu deaktivieren und den Fahrbetrieb zu ermöglichen, wird die Bremse elektromagnetisch aktiviert, wozu eine Versorgungsspannung an dem Bremsenaktuator angelegt wird, so dass die elektromagnetische Kopplung des Bremsenaktuators zur korrespondierenden magnetischen Halteplatte aktiviert wird. Es besteht ein Bedarf danach, die EMV-Eigenschaften einer solchen Bremse für ein Fahr-Lenk-System (FLS) zu optimieren, da es sonst zu Störungen beim Ansteuern des Fahr-Lenk-Systems (FLS) geben könnte.
Insgesamt soll eine Bremsenansteuerung für eine elektromagnetische Bremse für einen Antrieb dergestalt entwickelt werden, dass

a) die Bremse sicher freigegeben wird (Bremse freigeben)
b) im freigegebenen Zustand energieeffizient ist und
c) in Bezug auf EMV Eigenschaften im Betrieb keine Probleme im Hinblick auf externe steuerungsrelevante Elektronik verursacht.

Insbesondere ausreichend sichere EMV Eigenschaften sind wichtig, da die Bremse zum Beispiel mit einer Lenkwinkelsensorik kombiniert ist und somit den identischen Bauraum verwendet. Eventuell auftretende elektromagnetische Abstrahlung stört die Funktion und Signalübertragung der Sensorik zum Controller.
Insofern besteht eine Bedürfnis danach, eine verbesserte Lösung zum sicheren Ansteuern einer elektromagnetischen Bremse bereit zu stellen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist und technisch sicher umsetzbar, so dass die Sicherheit und die EMV-Eigenschaften eines solchen Bremssystems verbessert werden.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer elektromagnetisch energetisierbaren Bremsenspule einer elektromagnetischen Bremse vorgeschlagen, die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator und eine korrespondierende Ankerplatte angesteuert wird, um beim Aktivieren die Ankerplatte aus einer Bremsblockierposition (BBP) in eine in Richtung der Spule orientierte Freigabeposition (FGP) zu betätigen, in welcher die Bremsenspule mit einer bestimmten elektrischen Energie versorgt wird, um das Halten der Ankerplatte aufgrund elektromagentischer Kräfte zwischen der Ankerplatte und der Bremsenspule zu bewirken, um dadurch einen Fahrbetrieb zu ermöglichen, wobei die Schaltung ausgebildet ist, wahlweise eine (nicht gewandelte) Betriebsspannung U_B bereit zu stellen oder eine dazu erhöhte Aktivierungsspannung U_A, wobei die Betriebsspannung U_B betragsmäßig so ausgelegt ist, dass die dadurch erzeugte elektromagentischer Haltekraft ausreicht, die Ankerplatte in der Freigabeposition zu fixieren, während die Aktivierungsspannung U_A betragsmäßig größer ist, um die Ankerplatte von der Bremsblockierposition in die Freigabeposition zu überführen.
Der Kerngedanke besteht darin zum Beispiel eine zusätzliche Spannung zur Betriebsspannung zu nutzen und hierfür insbesondere einen Hochsetzsteller zu verwenden, um die erhöhte Aktivierungsspannung U_A zum Anziehen der Bremse zu generieren. Die erforderliche Spannung kann durch einen Umschaltvorgang mit dem Hochsetzsteller ermöglicht werden.
In dem einen Betriebszustand erfolgt das Halten der Bremse, d. h. das Halten der Ankerplatte in gelüftetem (freigegebenem) Zustand. In diesem Zustand ist der Hochsetzsteller sozusagen außer Betrieb und es liegt nur die nicht getaktete Betriebsspannung an. Diese kann mit dem Hochsetzsteller über eine Diode an den Ausgang des Hochsetzstellers geführt werden. Es ist somit keine Taktung erforderlich, so dass eine glatte (bzw. keine Schaltflanken aufweisende) Gleichspannung für den Haltezustand bereit gestellt wird.
In dem zweiten Betriebszustand zum aktiven Anziehen der Bremse (vom blockiertem in den freigegebenen Zustand) erzeugt ein Umschaltprozess eine ausreichend hohe Spannung mit dem Hochsetzsteller und demnach gezielteine höhere Ausgangsspannung als die Betriebsspannung, welche allerdings aufgrund des Wirkprinzips eines Hochsetzstellers einen Rippel aufweist. Diese Anzugsphase ist auf einen vergleichsweise sehr kurzen Zeitraum von zum Beispiel ca. 100ms begrenzt.
Der Schaltregler (im Anwendungsfall mit einem Hochsetzsteller), die Verkabelung und die Bremsenspule erzeugen in letztgenanntem Zustand allerdings eine erhöhte EMV wenn eine Taktung vorliegt, da durch die Schaltflanken EMV Störungen automatisch hervor gerufen werden, diese allerdings nur für die sehr kurze Anzugsphase.
Über die Umschaltlogik wird zwischen Zustand 2 und Zustand 1 umgeschaltet. Der Umschaltpunkt kann entweder zeitabhängig sein, d. h. es wird bspw. nach fest eingestellten 100ms umgeschaltet, oder er kann wegabhängig sein, d. h. es wird umgeschaltet, wenn durch eine Sensorik signalisiert wird, dass die Bremse komplett angezogen (gelüftet) ist oder ein vorgegebener Weg der Ankerplatte zurückgelegt wurde.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Betriebsspannung U_B =24 V ist, während die Aktivierungsspannung U_A = 48 V beträgt, wobei bevorzugt die Betriebsspannung U_B eine nicht getaktete Gleichspannung ist.
Weiter bevorzugt ist es, die Zeit des zweiten Zustands in der Anzugsphase derart auszulegen, dass die Spannungswandlerschaltung die Aktivierungsspannung U_A für eine Zeitdauer taktet, die der Zeitdauer entspricht, in der die Ankerplatte von ihrer Bremsblockierposition (BBP) in die Freigabeposition (FGP) betätigt wird, wobei diese Zeitdauer ca. 50 bis 300 ms sein kann, vorzugsweise etwa 100 ms ist.
Wenn der Umschaltpukt erreicht ist, wird der Schaltregler im einfachsten Fall einfach deaktiviert d. h. ausgeschaltet und die Ausgangsspannung fällt von 48V auf die Eingangsspannung von 24 V minus Diodenspannung ab. Diese Spannung reicht aus, um die Bremse im „gelösten“ Zustand zu halten, wobei dieser Zustand den normalen Fahrbetrieb ohne Bremswirkung darstellt. Die aufgenommene Leistung zum Anziehen der Bremse (mit 48V) beträgt ca. 28W. Im Dauerbetrieb bei anliegenden 24V beträgt sie nur ca. 7W und die EMV-Eigenschaften sind unproblematisch, da dann keine Taktung stattfindet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Ansteuern einer elektromagnetischen Bremsenspule einer Bremse vor, die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator und eine korrespondierende Ankerplatte ansteuerbar ist, um die Ankerplatte aus einer Bremsblockierposition (BBP) in eine an oder in Richtung der Spule orientierte Freigabeposition (FGP) zu betätigen, unter Verwendung einer wie zuvor erläuterten Schaltungsanordnung, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellen einer ausreichend hohen Aktivierungsspannung U_A um die Ankerplatte von der Bremsblockierposition in die Freigabeposition zu überführen,
b) nach Erreichen der Freigabeposition wird die erhöhte Spannung (Schaltregler) deaktiviert und die Bremsenspule mit der niedrigeren nicht getakteten Betriebsspannung U_B versorgt, die betragsmäßig so ausgelegt ist, dass die Ankerplatte in ihrer Freigabeposition gehalten wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektromagnetische Bremse für ein Fahr-Lenk-System ausgebildet mit einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahr-Lenk-System mit einer elektromagnetischen Bremse, welche mit einer wie oben beschriebenen Schaltungsanordnung ausgebildet und/oder verbunden ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen

1 eine beispielhafte elektromagnetische Bremse;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Prinzipblockschaltbildes.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 ist eine beispielhafte elektromagnetisch arbeitende Bremse B in der linken Abbildung in der Freigabeposition FGP und der rechten Abbildung in der Bremsblockierposition BBP gezeigt. Zum Bremsen wirken in der Bremsblockierposition BBP die Haltelemente 21 mit den Gegenhalteelementen 22 zusammen. Zum Lösen der Bremse B wird die Bremsenspule 11 aktiviert und die Ankerplatte 12 angezogen, so dass die Halteeinrichtung 23 mit den Haltelementen 21, die an der die Ankerplatte 12 befestigt sind, zusammen mit der Ankerplatte nach oben in Richtung der Bremsenspule 11 bewegt werden und damit das Fahr-Lenksystem FLS frei ist. Zum Aktivieren die Ankerplatte 12 aus der Bremsblockierposition BBP in die in Richtung der Spule 11 orientierte Freigabeposition FGP, in welcher die Bremsenspule 11 dauerhaft mit einer bestimmten definierten elektrischen Energie versorgt wird, um das Halten der Ankerplatte 12 aufgrund der dadurch erzeugten elektromagentischer Kräfte zwischen der Ankerplatte 12 und der Bremsenspule 11 zu bewirken, wird das Verfahren aus der 2 angewendet.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Prinzip-BlockSchaltbildes. Dieses zeigt eine Versorgungsspannungsquelle, welche eine 24 V Betriebsspannung für die Bremse B bereitstellt. Daneben befindet sich ein Hochsetzsteller einer Schaltungsanordnung, welcher die 24V Spannung in eine Ausgangsspannung von 48 V hochsetzen kann. Diese Funktionalität wird von der Spannungswandlerschaltung (Schaltregler) realisiert.
Diese zum Erzeugen einer gegenüber der normalen Betriebsspannung U_B = 24 V des Bremsenaktuators der Bremsenspule 10 erhöhte Aktivierungsspannung U_A = 48 V wird von einer Umschaltlogik aktiviert.
Neben dem Hochsetzsteller in der 1 befindet sich das Blockelement „Verkabelung“, welches mit der Bremsenspule 10 gekoppelt ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer elektromagnetisch arbeitenden Bremsenspule (11) einer Bremse (B), die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator (10) und eine korrespondierende Ankerplatte (12) angesteuert wird, um beim Aktivieren die Ankerplatte (12) aus einer Bremsblockierposition (BBP) in eine an oder in Richtung der Spule (11) orientierte Freigabeposition (FGP) zu betätigen, in welcher die Bremsenspule (11) mit einer bestimmten definierten elektrischen Energie versorgt wird, um das Halten der Ankerplatte (12) aufgrund elektromagentischer Kräfte zwischen der Ankerplatte (12) und der Bremsenspule (11) zu bewirken, wobei die Schaltungsanordnung ausgebildet ist, zum wahlweise Bereitstellen einer Betriebsspannung U_B und einer dazu erhöhten Aktivierungsspannung U_A, wobei die Betriebsspannung U_B betragsmäßig so ausgelegt ist, dass die dadurch erzeugte elektromagentischer Haltekraft ausreicht, die Ankerplatte (12) in der Freigabeposition zu fixieren, während die Aktivierungsspannung U_A betragsmäßig größer ist, um die Ankerplatte (12) von der Bremsblockierposition (BBP) in die Freigabeposition (FGP) zu überführen und wobei die Betriebsspannung U_B in der Freigabeposition (FGP) eine nicht getaktete und keine Schaltflanken aufweisende Gleichspannung ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsspannung deutlich höher, vorzugsweise um den Faktor 1,5 bis 2,5 mal so hoch wie die Betriebsspannung ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung U_B eine nicht getaktete Gleichspannung ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Aktivierungsspannung U_A ein von einer Spannungswandlerschaltung (20) erzeugte Spannung ist, derart dass die Aktivierungsspannung U_A für eine solche Zeitdauer aktiviert wird, die etwa der Zeitdauer entspricht, in der die Ankerplatte (12) von ihrer Bremsblockierposition (BBP) in die Freigabeposition (FGP) betätigt wird.
Schaltungsanordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswandlerschaltung (20) ein Hochsetzsteller ist, der insbesondere die Betriebsspannung U_B betragsmäßig erhöhen, weiter bevorzugt betragsmäßig verdoppeln kann.
Verfahren zum Ansteuern einer elektromagnetisch arbeitenden Bremsenspule (11) einer Bremse (B), die über einen elektromagnetisch aktivierbaren Bremsenaktuator (10) und eine korrespondierende Ankerplatte (12) angesteuerbar ist, um die Ankerplatte (12) aus einer Bremsblockierposition (BBP) in eine an oder in Richtung der Spule (11) orientierte Freigabeposition (FGP) zu betätigen, unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer ausreichend hohen Aktivierungsspannung U_A um die Ankerplatte (12) von der Bremsblockierposition (BBP) in die Freigabeposition (FGP) zu überführen, b) nach Erreichen der Freigabeposition (FGP) wird entweder die Spannungswandlerschaltung (20) deaktiviert und wird die Bremsenspule (11) dann mit der niedrigeren Betriebsspannung U_B versorgt, die betragsmäßig so ausgelegt ist, dass die Ankerplatte (12) in ihrer Freigabeposition (FGP) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Freigabeposition (FGP) anliegende Betriebsspannung U_B eine nicht getaktete und keine Schaltflanken aufweisende Gleichspannung ist.
Elektromagnetischen Bremse (B) für ein Fahr-Lenk-System (FLS) ausgebildet mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Fahr-Lenk-System mit einer elektromagnetischen Bremse (B), welche mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 ansteuerbar ausgebildet und/oder verbunden ist.