EP0225444B1 - Verfahren zum Ansteuern eines Elektromagneten - Google Patents

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EP0225444B1 EP86113598A EP86113598A EP0225444B1 EP 0225444 B1 EP0225444 B1 EP 0225444B1 EP 86113598 A EP86113598 A EP 86113598A EP 86113598 A EP86113598 A EP 86113598A EP 0225444 B1 EP0225444 B1 EP 0225444B1
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    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Furthermore, a circuit arrangement for carrying out the method is specified in claim 4.
  • the holding phase can only start when the armature has been reliably attracted by the magnet, since the holding current is sufficient to hold an armature that has been tightened in the working position, but not to attract the armature.
  • Circuits are therefore known which are based on measuring the current rise during the excitation of the coil and which detect a possibly occurring negative value of the first derivative of the current rise in order to derive a hit detection therefrom.
  • the functional reliability of such circuits has not proven itself, in particular they are heavily dependent on the supply voltage and, in particular, no longer function if the supply voltage increases.
  • This evaluation circuit is relatively complicated and requires fine measuring methods.
  • the object of the invention is to provide a method and a switching arrangement corresponding to the method, which enables reliable determination of whether the armature is an electromagnet in the working or in the rest position.
  • the invention is based on a clocked power supply in the holding phase for the electromagnet, wherein the supply current for the electromagnet is always switched off when it exceeds an upper limit value and is switched on again when it falls below a lower limit value.
  • the current flow does not suddenly increase due to the inductance of the magnet, and during the switch-off process it does not drop suddenly, a free-wheeling circuit being able to provide a longer maintenance of a current flow through the magnet.
  • the clock frequency is dependent on the supply voltage, the temperature of the coil and the inductance of the magnet.
  • the deviations in the clock frequency caused by temperature changes and also by the change in the supply voltage are negligibly small compared to the deviations caused by the changes in the inductance of the magnet due to the fact that the magnet has a significantly different inductance in the working state, i.e. with the armature plate attracted than in the rest position, in which the armature plate is spaced from the pole faces.
  • the change in the clock frequency caused thereby is evaluated, so that reliable detection is possible as to whether the magnet has attracted the armature plate or not.
  • FIG. 2 shows a circuit in which an electromagnetic consumer 10 has a freewheeling circuit 12 lying parallel to it, which is indicated by a diode.
  • This electromagnetic consumer 10 with its free-wheeling circuit 12 is connected to a supply voltage 14 on one side, the other side is connected at 16 to ground.
  • an output stage 18 or a switching element which is indicated here as a transistor, it is possible to let the current flow from the positive pole 14 through the electromagnetic consumer 10 to the ground connection 16. If the output stage 18 is blocked, the current flows from the coil 10 via its free-wheeling circuit 12.
  • a measuring resistor 26 is provided in the freewheeling circuit 10, 12, from which information about the current strength is tapped via a line 24. This information is fed to a control circuit 22, which also receives external control signals via an input 20.
  • the rising phase is designated with the letter A
  • the falling phase with the letter B.
  • the duration of the interval A + B determines the frequency of the clocking.
  • This frequency value can be tapped at the output of the control circuit 22, there even as a clean square-wave signal, and is fed to a frequency measuring element 30.
  • the frequency measuring element 30 detects this frequency and compares it with a predetermined reference value, and if the actual value deviates too much from the target value, the frequency element 30 emits an error signal to the control circuit 22.
  • Fig. 1 the curves for the frequency of the clock current for the electromagnetic consumption 10 for the two different positions of the anchor plate are shown and designated by the letters K 1 and K 2 .
  • K 1 and K 2 the curves for the frequency of the clock current for the electromagnetic consumption 10 for the two different positions of the anchor plate are shown and designated by the letters K 1 and K 2 .
  • a comparison makes it easy to see that the frequency of the curves undergoes a significant change depending on whether the anchor plate is tightened or not.
  • the frequency change is up to 50%, so that there is a significant and easily evaluable value to determine whether the anchor plate has been tightened or not.
  • a signal is generated in the control circuit 22, which has received this information from the frequency measuring element 30, and a new switch-on process is started.
  • a first switch-on current with a high amplitude is generated, while the current strength of the subsequent holding current can be significantly lower and has a current strength that is only about 20% of the maximum switch-on current.
  • the circuit according to the invention can be used to control a gas exchange valve of an internal combustion engine, which is held in its end positions by electromagnetic force.
  • the working position of the armature corresponds to an excited magnet that holds the gas exchange valve in the open position
  • the second work position corresponds to the excitation of a second magnet that holds the gas exchange valve in the closed position. Since a malfunction would result in the combustion process failing, immediate and reliable detection is essential. As soon as a failure of the system is reported by the function monitoring according to the invention, a restart is initiated in order to bring the gas exchange valve into the intended working position.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiterhin wird in Anspruch 4 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgegeben.
  • Es ist bekannt, zur Energieeinsparung einen in Haltephase befindlichen Elektromagneten mit einer getakteten Stromversorgung anzusteuern, wobei jeweils während des abgeschalteten Stromes eine Freilaufschaltung für den Stromdurchfluß durch den Elektromagneten sorgen kann. Eine derartige Schaltung kann beispielsweise der DE-OS 24 25 585 entnommen werden.
  • Dabei existiert jedoch das Problem, daß die Haltephase erst dann anlaufen kann, wenn der Anker zuverlässig vom Magneten angezogen wurde, da der Haltestrom zwar ausreichend ist, um einen einmal angezogenen Anker in der Arbeitsstellung zu halten, jedoch nicht, um den Anker anzuziehen.
  • Es sind deshalb Schaltungen bekannt, die darauf aufbauen, den Stromanstieg während der Erregung der Spule zu messen und einen eventuell auftretenden negativen Wert der ersten Ableitung des Stromanstiegs erfassen, um daraus eine Auftrefferkennung abzuleiten. Die Funktionssicherheit derartiger Schaltungen jedoch hat sich nicht bewährt, insbesondere sind sie stark von der Versorgungsspannung abhängig und funktionieren insbesondere bei einem Anstieg der Versorgungsspannung nicht mehr.
  • Aus der DE-OS 33 26 605 ist eine Schaltung bekannt, mit der die Hublage des Ankers überwacht wird. Dabei wird ausgegangen von einer Spannungsversorgung für den Elektromagneten, die aus einem Gleichstrom mit einem überlagerten Wechselstromanteil besteht. Durch eine Auswertung der Größe des Wechselstromanteils, der sich durch die unterschiedliche Induktivität des Elektromagneten mit angezogener und beabstandeter Ankerplatte unterscheidet, soll erfaßt werden, ob der Elektromagnet die Ankerplatte angezogen hat.
  • Diese Auswertschaltung ist verhältnismäßig kompliziert und bedarf feiner Meßmethoden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine dem Verfahren entsprechende Schaltanordnung anzugeben, das zuverlässig ermöglicht festzustellen, ob der Anker eine Elektromagneten sich in der Arbeits- oder in der Ruhestellung befindet.
  • Die Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Die Erfindung geht von einer getakteten Stromversorgung in der Haltephase für den Elektromagneten aus, wobei der Versorgungsstrom für den Elektromagneten stets dann abgeschaltet wird, wenn er einen oberen Grenzwert überschreitet, und wiederum eingeschaltet wird, wenn er einen unteren Grenzwert unterschreitet. Während des Einschaltvorganges steigt der Stromfluß aufgrund der Induktivität des Magneten nicht schlagartig an, und während des Abschaltvorganges fällt er nicht schlagartig ab, wobei eine Freilaufschaltung für eine längere Aufrechterhaltung eines Stromdurchflusses durch den Magneten sorgen kann.
  • Da die Regelung für die Stromversorgung von einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert abhängig ist, gehen in die sich ausbildende Taktfrequenz verschiedene Faktoren ein.
  • So ist die Taktfrequenz abhängig von der Versorgungsspannung, von der Temperatur der Spule und von der Induktivität des Magneten.
  • Überraschenderweise sind die durch Temperaturänderungen und auch durch die Änderung der Versorgungsspannung hervorgerufenen Abweichungen in der Taktfrequenz vernachlässigbar klein gegenüber den Abweichungen, die durch die Induktivitätsänderungen des Magneten hervorgerufen werden aufgrund der Tatsache, daß der Magnet im Arbeitszustand, also mit angezogener Ankerplatte eine deutlich andere Induktivität besitzt als in Ruhestellung, in dem die Ankerplatte von den Polflächen beabstandet ist.
  • Erfindungsgemäß wird die dadurch hervorgerufene Änderung der Taktfrequenz ausgewertet, so daß die zuverlässige Erkennung möglich ist, ob der Magnet die Ankerplatte angezogen hat oder nicht.
  • Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine graphische Darstellung des zeitlichen Stromverlaufes zur Erläuterung der Erfindung; und
    • Fig. 2 eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
  • In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, in der ein elektromagnetischer Verbraucher 10 eine parallel dazu liegende Freilaufschaltung 12 besitzt, was durch eine Diode angedeutet ist. Dieser elektromagnetische Verbraucher 10 mit seiner Freilaufschaltung 12 ist an einer Versorgungsspannung 14 mit seiner einen Seite angeschlossen, die andere Seite ist bei 16 mit Masse verbunden.
  • Durch das Öffnen einer Endstufe 18 oder eines Schaltglieds, die hier als Transistor angedeutet ist, ist es möglich, den Strom vom Pluspol 14 durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 zum Masseanschluß 16 fließen zu lassen. Ist die Endstufe 18 gesperrt, fließt der Strom von der Spule 10 über seine Freilaufschaltung 12.
  • Im Freilaufkreis 10, 12 ist ein Meßwiderstand 26 vorgesehen, an dem über eine Leitung 24 eine Information über die Stromstärke abgegriffen wird. Diese Information wird einer Regelungsschaltung 22 zugeführt, die außerdem über einen Eingang 20 externe Steuersignale erhält.
  • Zur Diskussion der Beschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers 10 wird auf Fig. 1 zurückgegriffen. Wenn der Anker des Elektromagneten 10 sich in seiner angezogenen Stellung befindet, ist es zum Halten des Ankers notwendig, einen gewissen Haltestrom fließen zu lassen, wobei der Haltestrom zwischen einem oberen Stromwert 11, und einem unteren Stromwert 12 schwanken kann. Wird also die Endstufe 18 geöffnet, steigt der Strom an, bis er den Wert 11 erreicht hat. In diesem Fall sperrt die Regelungseinheit 22 die Endstufe 18, so daß der Strom nicht weiter ansteigen kann, sondern durch die Freilaufschaltung 12 abfließt. Dabei fällt jedoch die Stromstärke ab, abhängig von einigen Parametern, wobei die Induktivität des Elektromagneten 10 in einem Maße eingeht, daß die übrigen Parameter vernachlässigbar sind. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die übrigen Parameter wie Versorgungsspannung den Stromanstiegsteil der Kurve beeinflussen, dessen Anteil an einer Frequenzperiode in der Regel kleiner als 25 % ist. Die Zeitdauer des wesentlich längeren abfallenden Teils wird im wesentlichen durch die Induktivität bestimmt. Hat der Strom den unteren Wert 12 erreicht, steuert die Regelung 22 über eine Treiberstufe 28 die Endstufe 18 wiederum an, so daß der Strom wieder auf den Wert 11 ansteigen kann.
  • In Fig. 1 ist die Anstiegsphase mit dem Buchstaben A bezeichnet, die abfallende Phase mit dem Buchstaben B. Die Zeitdauer des Intervalls A + B bestimmt die Frequenz der Taktung.
  • Dieser Frequenzwert ist am Ausgang der Regelschaltung 22, dort sogar als sauberes Rechtecksignal, abgreifbar und wird einem Frequenzmeßglied 30 zugeführt. Das Frequenzmeßglied 30 erfaßt diese Frequenz und vergleicht sie mit einem vorgegebenen Referenzwert, und bei einer allzu großen Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert gibt das Frequenzglied 30 ein Fehlersignal an die Regelschaltung 22 ab.
  • In Fig. 1 sind die Kurven für die Frequenz des Taktstromes für den elektromagnetischen Verbrauch 10 für die beiden verschiedenen Stellungen der Ankerplatte dargestellt und mit den Buchstaben K1 und K2 bezeichnet. Ein Vergleich läßt unschwer erkennen, daß die Frequenz der Kurven eine deutliche Änderung erfährt, je nach dem, ob die Ankerplatte angezogen ist oder nicht. Die Frequenzänderung beträgt dabei bis zu 50 %, so daß hier ein signifikanter und leicht auswertbarer Wert vorliegt, um festzustellen, ob die Ankerplatte angezogen wurde oder nicht.
  • Ergibt die Auswertung der Frequenz, daß die Ankerplatte nicht angezogen ist, wird in der Regelschaltung 22, die diese Information von dem Frequenzmeßglied 30 erhalten hat, ein Signal erzeugt, und ein erneuter Einschaltvorgang in Gang gesetzt. Beim Einschaltvorgang wird ein erster Einschaltstrom mit hoher Amplitude erzeugt, während die Stromstärke des anschließenden Haltestromes deutlich geringer sein kann und eine Stromstärke hat, die nur etwa 20 % des maximalen Einschaltstromes beträgt.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung kann verwendet werden, um ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, das in seinen Endlagen durch elektromagnetische Kraft gehalten ist, anzusteuern. Die Arbeitslage des Ankers entspricht einem erregten Magneten, der das Gaswechselventil in Öffnungsstellung hält, die zweite Arbeitslage entspricht der Erregung eines zweiten Magneten, der das Gaswechselventil in Schließstellung hält. Da hier eine Fehlfunktion zum Ausfall des Verbrennungsvorganges führen würde, ist die sofortige und zuverlässige Erkennung wesentlich. Sobald durch die erfindungsgemäße Funktionsüberwachung ein Ausfall des Systems gemeldet wird, wird ein Neustart veranlaßt, um das Gaswechselventil in die beabsichtigte Arbeitsstellung zu bringen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ansteuern eines einen Anker anziehenden Elektromagneten (10), wobei der Elektromagnet (10) in seiner Haltephase mit getaktetem Strom aus einer Stromversorgung angesteuert wird, wobei der Strom bei Überschreiten eines oberen Schwellwertes abgeschaltet und bei Unterschreiten eines unteren Schwellwertes eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Taktung während der Haltephase erfaßt wird und mit einem vorgegebenen Frequenzwert verglichen wird, und bei Uberschreiten einer Maximalabweichung ein Fehlersignal ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zu Beginn der Ansteuerphase ein größerer Erregungsstrom durch den Elektromagneten fließt und anschließend ein geringerer Haltestrom, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auslösen des Fehlersignals der Ansteuervorgang erneut gestartet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalabweichung ca. 20 % beträgt.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Ansteuerung eines Elektromagneten (10) mit Polflächen und einer im abgeschalteten Zustand des Magneten beabstandeten und im erregten Zustand in Richtung zu der Polfläche bewegten Ankerplatte, einer Freilaufschaltung (12) parallel zum Elektromagneten, einem Schaltglied (18), das den Strom des Elektromagneten (10) steuert, einer Regelschaltung (22), die während der Haltephase des Elektromagneten (10) das Schaltglied (18) zur getakteten Stromversorgung ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzmeßglied (30) vorgesehen ist, das die Frequenz des getakteten Stromes mißt und die Regelschaltung (22) ansteuert und/oder das Magnetsystem neu aktiviert.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekkennzeichnet, daß das Frequenzmeßglied (30) die Frequenz am Ausgang der Regelschaltung (22) abgreift.
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