DE19505219A1 - Gerät zur Lageerkennung von elektromagnetischen Stelleinrichtungen - Google Patents

Gerät zur Lageerkennung von elektromagnetischen Stelleinrichtungen

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Description

Das zu beschreibende Gerät zur Lageerkennung kann bei denjenigen elektromagnetischen Stelleinrichtungen Verwendung finden, die folgenden prinzipiellen Aufbau besitzen. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem magnetischen Kreis, der sich aus einem feststehenden und einem beweglichen Kern aus magnetisch leitfähigen Material zusammensetzt (vgl. Fig. 1). Eine Wicklung (1, Spule) ist für die Erregung des Kreises und somit für die Kraftwirkung auf den beweglichen Teil (2,. Anker) verantwortlich. Der Anker kann hierbei durch beliebige Rücksetzkräfte (z. B. durch eine Rückholfeder (3)) wieder in die Hubanfangslage gebracht werden. Möglich ist auch eine Anwendung für bistabil arbeitende elektromagnetischen Stelleinrichtungen in Verbindung mit Permanentmagneten.
Bei Stelleinrichtungen, die nach oben beschriebenem Prinzip aufgebaut sind, ist häufig eine Wegrückmeldung zur ansteuernden Peripherie erforderlich. Für eine Lageerfassung bieten sich einfache Endschalter und verschiedene elektronische Sensoren an, die an der elektromagnetischen Stelleinrichtung angebaut sind.
Gegen die Verwendung der Sensoren spricht:
  • - Es müssen geeignete mechanische Befestigungsvorrichtungen für die Sensoren vorgesehen werden.
  • - Zum Ort des Sensors müssen Versorgungs- und Signalleiter verlegt werden.
  • - Es müssen Vorkehrungen zum Schutz des Sensors vor äußeren Einflüssen wie Nässe, Schmutz, Hitze getroffen werden.
  • - Die o.g. Sensoren sind mehr oder minder starken Verschleißerscheinungen unterworfen, die Wartungen (an u. U. schwer zugänglichen Stellen) erforderlich machen.
In EP 0 242 402 A1 wurde ein Verfahren vorgestellt, daß versucht die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Dieses Verfahren zeigt jedoch einige Unzulänglichkeiten, die den Einsatz in Frage stellen:
  • - Im magnetischen Kreis der elektromagnetischen Stelleinrichtungen muß ein Permanentmagnet eingefügt sein. Dies geschieht durch aufwendiges Nachrüsten bestehender Anordnungen oder durch eigens konstruierte Stelleinrichtungen.
  • - Das Verfahren nach EP 0 242 402 A1 erlaubt keine quantitative Aussage über den vollzogenen Hub. Das generierte Signal ist stark von der Dynamik der Bewegung und äußeren Störkräften abhängig.
  • - Das Verfahren nach EP 0 242 402 A1 ist nicht geeignet bei Systemen, bei denen infolge starker Dämpfung des ausgeführten Hubes keine Extrema im Stromverlauf auftreten.
  • - Bei dem Verfahren nach EP 0 242 402 A1 wird nur für das Fahren in die Hubendlage ein Signal generiert, nicht aber bei der Bewegung zurück in die Hubanfangslage.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung ist demnach die Entwicklung eines Gerätes zur sensorlosen, quantitativen Lageerkennung eines Ankers einer elektromagnetischen Stelleinrichtung für beide Bewegungsrichtungen.
Das Prinzip, auf dem das Gerät zur Lageerkennung von elektromagnetischen Stelleinrichtungen basiert, wird anhand nachfolgender Zeichnungen erläutert:
Die Fig. 1 zeigt die Prinzipdarstellung eines elektromagnetischen Stellgliedes mit dem Blockschaltbild der Ansteuer- und Auswerteelektronik.
Die Fig. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der elektromagnetischen Stelleinrichtung.
Die Fig. 3 zeigt typische zeitliche Verläufe von Ansteuersignal, Spulenspannung und -strom und ein hubproportionales Signal.
Das Einschalten der Erregung durch Anlegen einer Spannung an die Erregerspule (1) führt dazu, daß der magnetische Fluß Φ im magnetischen Kreis steigt. Ursache ist zum einen der ansteigende Erregerstrom und zum anderen ein vollzogener Ankerhub, der den magnetischen Gesamtwiderstand verringert. Der magnetische Fluß ist somit eine nichtlineare Funktion des Stromes I und des Ankerhubes x: Φ = Φ(l, x).
Betrachtet wird nun der magnetische Fluß Φ¹ = Φ(I¹, X°), bei einem vorgegebenen Stromwert I¹ und eine Ankerposition (x, x₀), die der Hubanfangslage entspricht (vgl. Fig. 3). Betrachtet wird außerdem der Fluß Φ² = Φ(I₂,x), bei einem zweiten vorzugebenden Stromwert I² und einer Ankerposition x, die sich beliebig zwischen der Hubanfangslage x₀ und der Hubendlage xmax befindet x₀ x xmax (vgl. Fig. 3). Hierbei gilt: I² < I¹.
Die Flußänderung ΔΦa = Φ² - Φ¹ < 0 stellt ein reproduzierbares Maß für die anziehende Hubbewegung dar. In entsprechender Weise enthält die Flußänderung ΔΦb = Φ(I⁴,x) -Φ(I³,xmax) < 0 die Information über die abfallende Hubbewegung. Die Ströme I³ und I⁴ sind definierte Stromgrenzen (vgl. Fig. 3).
Die Flußänderungen ΔΦa, ΔΦb lassen sich durch Bestimmung der Spannungszeitflächen der induzierten Spulenspannung ermitteln:
Die zeitlichen Integrationsgrenzen ti entsprechen hierbei den Zeitpunkten, zu denen die korrespondierenden Erregerströme Ii fließen. Die induzierte Spannung ergibt sich sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten aus der Auswertung der Maschengleichung Ui = Us - Rw·I (siehe Fig. 2). Rw entspricht hierbei der Summe aus dem Wicklungswiderstand der Erregerspule und den Zuleitungswiderständen. Rw wird nach der Beziehung Rw Uso/I₀ aus den Verläufen von Strom und Spannung ermittelt (vgl. Fig. 3). Hierdurch ist der Temperatureinfluß auf die ohmschen Widerstände berücksichtigt.
Mit einem Mikrocontroller (6), wird die Spulenspannung Us und der Erregerstrom 1 über entsprechende Anpaß- und Verstärkerschaltungen (4) gemessen. Der Mikrocontroller übernimmt auch die Ansteuerung eines elektronischen Schalters (5) zum Schalten des elektromagnetischen Stellgliedes und die Berechnung des Hubes. Gemäß Gleichung 1 werden die Spannungszeitflächen ΔΦa,ΔΦb durch numerische Integration der induzierten Spannung Ui bestimmt. Diese Integralsummen werden mit Referenzwerten aus einer Tabelle verglichen. Die Ankerhübe werden durch Interpolation ermittelt. Durch die Berechnung mit Hilfe einer Tabelle werden die Nichtlineraritäten und die komplexe Geometrie des magnetischen Kreises berücksichtigt. Bei ungesättigten, quasiidealen magnetischen Kreisen und einfachen Geometrien kann der Hub über eine einfache Beziehung x k * 1/Φ bestimmt werden.
Im konkreten Anwendungsfall besteht das elektromagnetische Stellglied aus einem Hubmagneten in Verbindung mit einer Ankerrückholfeder. Die Referenztabelle wird wie folgt ermittelt. Durch eine Begrenzungseinrichtung wird der Ankerhub vor Erreichen der Hubendlage vorzeitig auf definierte Hübe begrenzt. Die dabei errechneten Spannungszeitflächen werden in der Tabelle abgelegt. Jedem Ankerhub ist so ein charakteristischer Referenzwert zugeordnet. Die Wertepaare aus Ankerhub und Spannungszeitfläche dienen dann der Berechnung des Hubes.
Im Hinblick auf gewerbliche Nutzung des Gerätes erkennt man, daß dieses Verfahren der Lageerkennung universell auf gegebene elektromagnetische Stelleinrichtungen anwendbar ist, ohne spezielle Stellglieder eigens konstruieren zu müssen. Ebenso ist ein Nachrüsten möglich.
Der schaltungstechnische Aufwand läßt sich durch Verzicht auf die Spannungsmessung reduzieren, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
  • - Um beim Einschalten den Hub genau berechnen zu können, muß die Höhe der Versorgungsspannung Ub konstant sein.
  • - Um beim Ausschalten den Hub genau berechnen zu können, dürfen durch die Betriebsart des elektromagnetischen Stellgliedes keine großen Temperaturdifferenzen auftreten, außerdem muß die Kennlinie der Freilaufdiode bekannt sein.
Eine weitere Variante besteht darin, die induzierte Spannung mit einer Hilfswicklung auf dem Joch zu bestimmen. Hierdurch entfällt die Spannungsmessung an der Diode, die Kennlinie der Diode muß beim Abschalten nicht mehr berücksichtigt werden, wodurch sich die Berechnung vereinfacht.
Die Funktion des Gerätes kann in den elektronische Schalter für die elektromagnetischen Stelleinrichtungen integriert werden.

Claims (8)

1. Gerät zur Lageerkennung von elektromagnetischen Stelleinrichtungen, wobei von der Änderung des magnetischen Flusses bei dem Schaltvorgang auf den vollzogenen Hub geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub einer elektromagnetischen Stelleinrichtungen ohne zusätzliche Lagesensoren bestimmt werden kann.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Messen von Spulenstrom und Spulenspannung der Hub bestimmt wird.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Spulenstrom gemessen wird und die Spulenspannung errechnet wird und damit der Hub bestimmt wird.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Messen von Spulenstrom und der induzierten Spannung der Hub bestimmt wird. Wobei die induzierte Spannung mit einer Hilfswicklung auf dem Joch der elektromagnetischen Stelleinrichtung gemessen wird.
5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Integration der induzierten Spannung der magnetische Fluß bestimmt wird.
6. Gerät nach Anspruch Ibis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Integrationsgrenzen Zeiten entsprechen, zu denen definierte Erregerströme fließen.
7. Gerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die so ermittelten Integralwerte mit Referenzwerten verglichen werden und damit der Hub bestimmt wird.
8. Elektronischer Baustein nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion des Gerätes in den elektronische Schalter für die elektromagnetischen Stelleinrichtungen integriert wird.
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