DE4237706A1 - Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils - Google Patents

Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Magnetventilen, deren Anzugsdauer genau gesteuert werden muß, ist es erforderlich, den Aufschlagzeitpunkt, an dem der Anker der Spule des Magnetventils nach Einschalten des Stromes die durch einen Anschlag bestimmte Endstellung erreicht, eindeutig zu erkennen.
Aus der DE 26 12 914 A1 und der DE 27 06 436 C2 ist eine gattungsgemäße Einrichtung bekannt, bei der für die Bestimmung der Anzugsendstellung des Ankers des Magnetventils der zeitliche Verlauf des Erregerstromes der Spule bei konstant gehaltener Versorgungsspannung erfaßt wird. Die durch den Ankeraufschlag hervorgerufene Unstetigkeit im Verlauf des Erregerstromes wird in ein Signal für den Aufschlagzeitpunkt umgesetzt. Der Verlauf der Unstetigkeit des Erregerstromes im Aufschlagzeitpunkt ist jedoch nicht sehr ausgeprägt, so daß der tatsächliche Aufschlagzeitpunkt des Ankers nicht präzise bestimmbar ist. Da der Anker sich gegen den Druck des durch das Magnetventil gesteuerten Mediums bewegen muß, ist die Erkennbarkeit der Unstetigkeit des Erregerstromes noch weiter verschlechtert.
Die für die bekannte Einrichtung erforderliche konstante Versorgungsspannung führt bei hoher Betriebsspannung, wie z. B. die mit der Drehzahl wechselnde Spannung in Bordnetzen von Brennkraftmaschinen, zu großen Verlustleistungsspitzen in der Leistungsendstufe des Spannungsreglers. Die große Verlustleistungsschwankungen bewirken einen übermäßigen Wärmestreß der elektronischen Endstufenbauteile, deren Lebensdauer dadurch erheblich verkürzt wird, was zu unvorhersehbaren Betriebsstörungen führt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils anzugeben, die eine exakte Bestimmung des Aufschlagzeitpunktes des Ankers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Das Tastverhältnis, das sich als ein Impulsmuster der Relation von Ein- und Ausschaltzeiten des getakteten Erregerstromes für die Spule des Magnetventils darstellt, ändert sich deutlich erkennbar bei Aufschlagen des Ankers und läßt sich auf einfache Weise auswerten. Daraus resultiert eine sehr geringe Streubreite für den erkannten Aufschlagzeitpunkt des Ankers, so daß die Anzugsdauer des Magnetventils sehr exakt steuerbar ist. Der Schaltungsaufwand der Einrichtung verringert sich gegenüber bekannten Anordnungen, da ein verlustleistungsbehaftetes Schaltungsteil zur Spannungskonstanthaltung bei der vorgeschlagenen Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nicht notwendig ist und der Schaltungsteil für die digitale Aufschlagzeitpunkt-Erkennung einen einfachen Aufbau aufweist. Die Einrichtung ist sehr betriebssicher, weil die hohe Belastung der Bauteile für die Spannungskonstanthaltung entfällt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeigen die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4. Der besondere Vorteil von Anspruch 2 liegt darin, daß sich eine einfach realisierbare Regelschleife ergibt und durch die digitale Steuerung des Schalters dessen elektronische Bauteile eine sehr geringe Verlustleistung aufweisen.
Mit dem Merkmal von Anspruch 3 ist der Vorteil verbunden, daß das an sich für die Steuerung des elektronischen Schalters erzeugte Impulsmuster des Erregerstromes gleichzeitig, und zwar ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand, zur digitalen Aufschlagzeitpunkt-Erkennung verwendbar ist.
Mit dem Merkmal von Anspruch 4 ist die Genauigkeit der digitalen Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nochmals erheblich verbessert worden. Dabei ist der Algorythmus durch entsprechende Programmänderung unterschiedlichen Anwendungsfällen für Magnetventile anpaßbar.
Mit den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 7 werden verschiedene Möglichkeiten für die Regelung des getakteten Erregerstromes aufgezeigt. Dabei ergeben die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 noch die besonderen Vorteile, daß durch die vorgeschlagene Taktung des Erregerstromes mit konstanten Zeitabschnitten die Erkennbarkeit der Änderung des Tastverhältnisses im Aufschlagzeitpunkt verbessert ist.
Mit dem Merkmal des Anspruchs 8 wird die erfindungsgemäße Einrichtung dahingehend weiterentwickelt, daß das am Eingang der Schaltung angeordnete ständig wirksame LC-Glied ein Filter für die elektromagnetische Störstrahlung ist, die von der Taktung des Erregerstromes ausgeht.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich mit dem Merkmal von Anspruch 9.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 Prinizpschaltbild der Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils;
Fig. 2 Hubkurve des Ankers der Spule des Magnetventils in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 3 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der zwischen konstanten Stromwertpegeln geregelt wird, in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 4 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 5 Hubkurve des Ankers der Spule des Magnetventils in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 6 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der mit konstanter Ausschaltzeit geregelt wird, in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 7 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 6 in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 8 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der mit konstanter Einschaltzeit geregelt, wird in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 9 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 8 in Abhängigkeit von der Zeit.
Am Schaltungseingang der Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für Anker von Magnetventilen A, . . . N ist eine Speicherdrossel L, ein Kondensator C, eine Diode D1 und ein von einem Digitalrechner DR ansteuerbarer elektronischer Schalter S1 angeordnet. Diese Bauteile dienen der Stromversorgung für die Magnetventile A, . . . N.
Mit einem zweiten elektronischen Schalter S2, der vom Digitalrechner DR über eine Logikschaltung LS ansteuerbar ist, wird der den Magnetventilen A, . . . N zufließende Strom ein- und ausgeschaltet, d. h. getaktet.
In Reihe mit den Magnetventilen A, . . . N sind weitere elektronische Schalter SA, SB . . . SN angeordnet, die vom Digitalrechner DR ansteuerbar sind. Das Schließen eines Schalters SA, SB . . . SN bewirkt das Einschalten des Stromes für das jeweils zugeordnete Magnetventil A, . . . N.
Bei geschlossenem Schalter S1 und offenem Schalter S2 fließt ein Strom durch die Speicherdrossel L. Nach dem Öffnen des Schalters S1 behält der Drosselstrom die Richtung bei, und lädt den Kondensator C über Diode D1 auf eine Spannung auf, die höher ist als die Versorgungsspannung.
Das Schließen des Schalters S2 bewirkt eine Entladung des Kondensators C über die Spule eines der durch die Schalter SA, SB . . . SN eingeschalteten Magnetventile A, . . . N. Aufgrund des hohen Potentials des Kondensators C ergibt sich ein rascher Erregerstrom-Anstieg in der Spule des zugeschalteten Magnetventils A, . . . N. Etwa im Scheitelpunkt der Erregerstromkurve öffnet Schalter S2 und der Erregerstrom IR fällt ab. Durch den steilen Erregerstromanstieg ist der Anker schnell beschleunigt worden und befindet sich in Bewegung, hat die Anzugsendstellung AZ aber noch nicht erreicht. Der Verlauf des Ankerweges S ist in Fig. 2 und Fig. 5 dargestellt. Nach dem ersten Öffnen von Schalter S2, das vom Digitalrechner DR durch Ansteuern der Logikschaltung LS ausgelöst wird, setzt das Takten des Erregerstromes IR durch fortlaufendes Öffnen und Schließen des Schalters S2 ein. Gesteuert wird der elektronische Schalter S2 in dieser Phase durch das Ausgangssignal IM eines Komperators K. Das Ausgangssignal IM ist ein Impulsmuster der Ein- und Ausschaltzeiten des Erregerstromes IR, deren Relation als Tastverhältnis bezeichnet wird. Das Impulsmuster des Ausgangssignals IM wird im Komperator K durch Auswertung der an einem Meßwiderstand R abfallenden Spannung, die proportional dem Erregerstrom IR ist, gewonnen, wobei eine Umsetzung der analogen Meßwerte in digitale Impulse erfolgt.
Für die Taktung des Erregerstromes IR sind drei Varianten realisierbar. Allen drei Varianten ist gemeinsam, daß die Taktung des Erregerstromes IR erst beginnt, wenn der Anker nach dem ersten Einschalten des Erregerstromes IR bereits in Bewegung ist.
Bei der ersten Variante erfolgt das Ein- und Ausschalten des Erregerstromes IR bei Erreichen eines jeweils festgelegten unteren und oberen Stromwertes IRein, IRaus (Fig. 3). Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 4 dargestellt.
Bei der zweiten Variante erfolgt das Schalten des Erregerstromes IR mit konstanter Ausschaltzeit ta (Fig. 6), d. h. bei Erreichen eines maximalen Stromwertes IRaus wird Schalter S2 für eine konstante Ausschaltzeit ta geöffnet. Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 7 dargestellt.
Bei der dritten Variante erfolgt das Schalten des Erregerstromes IR mit konstanter Einschaltzeit te (Fig. 8), d. h. bei Erreichen eines minimalen Stromwertes IRein wird Schalter S2 für eine konstante Einschaltzeit te geöffnet. Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 9 dargestellt.
Ersichtlich ist bei allen drei Varianten in Fig. 4, Fig. 7 und Fig. 9, daß sich in der Umgebung des eingezeichneten Aufschlagzeitpunktes AZ das Aufschlagen des Ankers in einer deutlichen Änderung der Tastverhältnisse abbildet. Die Ursache dieser Änderung ist die in der Anzugsendstellung sich verändernde induzierte Spannung der Spule des Magnetventils A, B . . . N.
Ein Freilaufkreis, der wenigstens eine Freilaufdiode D2 aufweist, ist den Magnetventilen A, . . . N parallel zugeschaltet und jeweils für das gerade eingeschaltete Magnetventil A, B . . . N wirksam.
Das aus Speicherdrossel L und Kondensator C bestehende LC-Glied, das ständig, d. h. ohne Abschaltbarkeit, die Versorgungsenergie des nachfolgenden Schaltungsteiles liefert, vermindert in vorteilhafter Weise leitungsgebundene, aus der Stromtaktung resultierende elektromagnetische Störungen.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils, dessen Spule mit einem getakteten Erregerstrom gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Aufschlag des Ankers eintretende Änderung des Tastverhältnisses des Erregerstromes (IR) zur Erkennung des Aufschlagzeitpunktes herangezogen wird.
2. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (IM) eines Komperators (K), das ein Impulsmuster des getakteten Erregerstromes (IR) ist, einen den Erregerstrom (IR) schaltenden, elektronischen Schalter (S2) steuert.
3. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (IM) gleichzeitig einem Digitalrechner (DR) zugeführt wird, der ein Schaltungsteil für die zeitkritische Impulsmusterauswertung aufweist.
4. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalrechner (DR) einen programmierbaren Algorythmus zur Errechnung des Aufschlagzeitpunktes aus dem Ergebnis der Impulsmusterauswertung aufweist.
5. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getaktete Erregerstrom (IR) zwischen konstanten Stromwertpegeln (IRein, IRaus) geregelt wird.
6. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getaktete Erregerstrom (IR) mit konstanter Einschaltzeit geregelt wird.
7. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getaktete Erregerstrom (IR) mit konstanter Ausschaltzeit geregelt wird.
8. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die beschleunigte Erregung der Spule des Magnetventils (A, B . . . N) ein ständig im Versorgungskreis zugeschaltetes LC-Glied (L, C) angeordnet ist.
9. Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine für alle zugeordneten Magnetventile (A, B . . . N) wirksame Freilaufdiode (D2) angeordnet ist.
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