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