EP1302952A2 - Verfahren und Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten - Google Patents

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EP1302952A2
EP1302952A2 EP02022489A EP02022489A EP1302952A2 EP 1302952 A2 EP1302952 A2 EP 1302952A2 EP 02022489 A EP02022489 A EP 02022489A EP 02022489 A EP02022489 A EP 02022489A EP 1302952 A2 EP1302952 A2 EP 1302952A2
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voltage
magnetic
reference voltage
comparator
electromagnet
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Wolfgang E. Schultz
Dieter Dipl.-Ing. Kleinert
Peter Dr.-Ing. Tappe
Jürgen Dipl.-Ing. Heinzmann
Horst-Peter Dipl.-Ing. Wassermann
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Schultz Wolfgang E Dipl-Ing
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Schultz Wolfgang E Dipl-Ing
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • 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
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the anchor position an electromagnet, the one flowing through the coil Magnet current a magnetic voltage is generated and this magnetic voltage is compared with a reference voltage and determined a corresponding anchor position by this comparison becomes. Furthermore, the invention also relates to a Circuit for detecting the armature position of an electromagnet, the magnetic current flowing through the coil at a resistor leads to a magnetic voltage and this with a Reference voltage is compared in the comparator, where on a corresponding output signal at the output of the comparator can be tapped if the corresponding comparison condition in the comparator of magnetic voltage and reference voltage.
  • Electromagnets are widely used in technology. For example, they are used as actuators for hydraulic valves and so on known. There are a variety of uses where it is important to ensure that the Anchor has tightened, which means that the anchor is in its end position has arrived. In a current-time diagram, this gives one characteristic course, as it is for example in Fig. 2 (instead of the current can serve the magnetic voltage) indicated is.
  • the German patent application is in particular in the prior art 197 33 138 known.
  • the magnetic current is converted into a voltage proportional to the current converted and the converted voltage differentiated.
  • This differentiated magnetic voltage is with a threshold compared. This threshold is differentiated from the Magnetic voltage averaged.
  • the invention has set itself the task of a method or a circuit for detecting the anchor position to make available an electromagnet, on the one hand works reliably and is not so expensive is like the solutions of the prior art.
  • the characteristic current or voltage curve over time for the movement of an armature of an electromagnet is divided into three parts.
  • the one through the coil flowing current breaks in when the armature reaches the end position so "switches".
  • the anchor reaches its end position, so the current rises again to reach the holding current.
  • tensions with each other compare as currents is usually referred to below by magnetic voltage or reference voltage spoken without want to limit the invention to this.
  • the Interposition of a resistor the simple implementation of a variable current into a variable voltage, according to the Ohm's law. Because the magnetic voltage over time may exceed a maximum before reaching the anchor end position if the reference voltage is flattened accordingly Intersection point is generated which is the signal for reaching the anchor is used in the end position.
  • the proposal according to the invention the untreated or only slightly treated magnetic voltage compared to a filtered one or flattened magnetic voltage as Reference voltage. Since the circuit designed in this way is not so is complex, it is also significantly less prone to failure and also inexpensive to manufacture.
  • the submitted invention Concept of a dynamic limit curve method also allows the independence of the process from temperature influences or Magnet types because the reference voltage is not constant but in ratio to the magnetic voltage to be monitored derived from this is.
  • a flattened magnetic voltage is used as the reference voltage proposed.
  • the flattening can, for example achieved by using a low-pass filter as a filter become.
  • the use of the low-pass filter cuts the high-frequency ones Shares of the magnetic field voltage.
  • the so filtered Signal reacts slower than the source signal (magnetic voltage). If the magnetic voltage drops briefly, it cuts (over time) the reference voltage the magnetic voltage. Falling below the reference voltage can be caused by the subsequent electronics (for example a comparator) read out and for appropriate evaluation purposes (optical Signal, process monitoring and so on) can be used.
  • a voltage divider can be provided to a corresponding reduction in the level of the reference voltage to reach under the magnetic voltage.
  • the invention is explained schematically on the circuit arrangement according to FIG. 1.
  • the input voltage U is applied to the magnet. 1
  • the current flowing through the magnet 1 leads to a voltage drop across the shunt resistor 2. This voltage drop is referred to below as the magnetic voltage U M.
  • a reference voltage U R is now generated from the magnetic voltage U M according to the invention.
  • the filter 3 is designed as a low-pass filter and / or voltage divider and generates the reference voltage U R.
  • the magnetic voltage U M and the reference voltage U R are applied to the comparator 4 at different inputs.
  • the comparator 4 now compares the two characteristic curves U M and U R.
  • the comparator 4 can advantageously be designed as an operational amplifier. According to the dimensioning of the filter, the two characteristics only intersect at the switch-on peak, which means when the armature reaches its end position.
  • a holding member 7 and a reset 6 is provided.
  • a voltage stabilization 5 becomes the comparator 4 and Reset 6 supplied.
  • time interval II the current (and thus also the voltage) drops due to the mutual induction and the armature runs into its end position.
  • the switching time i.e. the time at which the armature reaches its end position.
  • time interval III there is again a current (and thus voltage) increase until the holding current.
  • U M the voltage profile U B is indicated when the armature blocks. It is striking that the voltage drop, in particular in time interval II, does not exist for the voltage curve U B and there is therefore a characteristic difference.
  • the derivative of the magnetic voltage is indicated with dU M / dt. This derivation is negative in the time interval II. This signal is used according to the relatively complicated solution of the prior art.
  • FIG. 3 The solution according to the invention is shown in FIG. 3.
  • a reference voltage U R is derived from the magnetic voltage U M.
  • the time interval B is limited by the two intersections B 1 and B 2 of the reference voltage U R with the magnetic voltage U M. Within the time segment B, the reference voltage U R is greater than the magnetic voltage U M.
  • the point in time A which characterizes the switching state or the reaching of the armature end position, is within the time interval B.
  • the proposal according to the invention provides a reliable method for recognizing the end position of the armature, which functions reliably regardless of external influences.
  • the output signal U out is present at the output.
  • This output signal can be displayed optically, for example by providing an LED. It is also possible to supply the output signal U from a monitoring control which monitors the electromagnet and processes the signal accordingly digitally or analogously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten. Die Magnetspannung wird verglichen mit einer Referenzspannung. Die Referenzspannung wird von der Magnetspannung durch eine Filterung abgeleitet verwendet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten, wobei von dem die Spule durchfließenden Magnetstrom eine Magnetspannung erzeugt wird und diese Magnetspannung mit einer Referenzspannung verglichen wird und durch diesen Vergleich eine entsprechende Ankerlage festgestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten, wobei der durch die Spule fließende Magnetstrom an einem Widerstand zu einer Magnetspannung führt und diese mit einer Referenzspannung in dem Komparator verglichen wird, wobei an dem Ausgang des Komparators ein entsprechendes Ausgangssignal abgreifbar ist, wenn in dem Komparator die entsprechende Vergleichsbedingung von Magnetspannung und Referenzspannung besteht.
Elektromagneten werden in der Technik in weiten Bereichen eingesetzt. Sie sind zum Beispiel als Stellglieder für Hydraulikventile und so weiter bekannt. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es wichtig ist, sicherzustellen, daß der Anker angezogen hat, das heißt, daß der Anker in seiner Endlage angekommen ist. In einem Strom-Zeit-Diagramm gibt dies einen charakteristischen Verlauf, wie er zum Beispiel in Fig. 2 (anstelle des Stromes kann die Magnetspannung dienen) angedeutet ist.
Hierzu ist im Stand der Technik insbesondere die deutsche Patentanmeldung 197 33 138 bekannt. Nach der hier vorgestellten Lösung wird der Magnetstrom in eine stromproportionale Spannung umgewandelt und die umgewandelte Spannung differenziert. Diese differenzierte Magnetspannung wird mit einem Schwellenwert verglichen. Dieser Schwellenwert wird aus der differenzierten Magnetspannung gemittelt.
Nachteilig bei dem im Stand der Technik bekannten Verfahren ist die verhältnismäßig hohe Anzahl von Baugruppen. Die Magnetspannung muß zuerst differenziert werden, wobei dann erst von der differenzierten Magnetspannung eine Referenzspannung durch Mittelung gewonnen wird. Neben der erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der größeren Anzahl von Bauteilen besteht auch bei dieser Verfahrensweise die Gefahr einer Verfälschung des Ergebnisses, da die abgegriffene Spannung mehrfach durch die Baugruppen verändert wird.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren beziehungsweise eine Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten zur Verfügung zu stellen, das zum einen zuverlässig funktioniert und zum anderen nicht so aufwendig ist, wie die Lösungen des Standes der Technik.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Referenzspannung eine gefilterte, gegebenenfalls abgeflachte Magnetspannung verwendet wird.
Der charakteristische Strom- beziehungsweise Spannungsverlauf über der Zeit für die Bewegung eines Ankers eines Elektromagneten ist in drei Teile aufgeteilt. Der durch die Spule fließende Strom bricht ein, wenn der Anker in die Endlage gelangt also "schaltet". Erreicht der Anker dann seine Endlage, so steigt der Strom wieder an, um den Haltestrom zu erreichen. Da es elektronisch leichter ist, Spannungen miteinander zu vergleichen als Ströme, wird nachfolgend in der Regel von Magnetspannung beziehungsweise Referenzspannung gesprochen, ohne die Erfindung hierauf beschränken zu wollen. Dabei erlaubt die Zwischenschaltung eines Widerstandes die einfache Umsetzung eines variablen Stromes in eine variable Spannung, gemäß dem Ohmschen Gesetz. Da die Magnetspannung im zeitlichen Verlauf vor Erreichen der Ankerendlage ein Maximum überschreitet, kann bei ensprechender Wahl der Abflachung der Referenzspannung ein Schnittpunkt erzeugt werden, der als Signal für das Erreichen des Ankers in der Endlage eingesetzt wird.
Im Gegensatz zu der Lösung nach dem Stand der Technik wird nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag die unbehandelte oder nur geringfügig behandelte Magnetspannung verglichen mit einer gefilterten beziehungsweise abgeflachten Magnetspannung als Referenzspannung. Da die so ausgestaltete Schaltung nicht so aufwendig ist, ist sie auch deutlich weniger störanfällig und auch kostengünstig herstellbar. Das vorgelegte erfindungsgemäße Konzept eines dynamischen Grenzkurvenverfahrens erlaubt auch die Unabhängigkeit des Verfahrens von Temperatureinflüssen oder Magnettypen, da die Referenzspannung nicht konstant sondern im verhältnis zur zu überwachenden Magnetspannung von dieser abgeleitet ist.
Als Referenzspannung wird eine abgeflachte Magnetspannung erfindungsgemäß vorgeschlagen. Die Abflachung kann zum Beispiel durch den Einsatz eines Tiefpaßfilters als Filter erreicht werden. Der Einsatz des Tiefpaßfilters schneidet die hochfrequenten Anteile der Magnetfeldspannung ab. Das so gefilterte Signal reagiert träger als das Quellsignal (Magnetspannung). Bei einem kurzfristigen Absinken der Magnetspannung schneidet (im zeitlichen Verlauf) die Referenzspannung die Magnetspannung. Das Unterschreiten der Referenzspannung kann durch die nachfolgende Elektronik (zum Beispiel ein Komparator) ausgelesen werden und für entsprechende Auswertungszwecke (optisches Signal, Prozessüberwachung und so weiter) verwendet werden. Ergänzend hierzu kann ein Spannungsteiler vorgesehen werden, um eine entsprechende Absenkung des Niveaus der Referenzspannung unter die Magnetspannung zu erreichen.
Die Erfindung wird schematisch in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
die erfindungsgemäße Schaltung als Blockschaltbild;
Fig. 2
ein U-t-Diagramm des Verlaufes der Magnetspannung unter Referenzspannung nach dem Stande der Technik und
Fig. 3
ein U-t-Diagramm der Magnetspannung gemäß der Erfindung.
Die Erfindung wird schematisch an der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 erläutert. Die Eingangsspannung Uein liegt an dem Magneten 1 an. Der durch den Magneten 1 fließende Strom führt zu einem Spannungsabfall an dem Shuntwiderstand 2. Dieser Spannungsabfall wird nachfolgend als Magnetspannung UM bezeichnet.
Indem ein Filter 3 vorgesehen ist, wird nun erfindungsgemäß von der Magnetspannung UM eine Referenzspannung UR erzeugt, Der Filter 3 ist hierbei als Tiefpassfilter und/oder Spannungsteiler ausgebildet und erzeugt die Referenzspannung UR. Die Magnetspannung UM und die Referenzspannung UR wird auf den Komparator 4 an unterschiedliche Eingänge gelegt. Der Komparator 4 vergleicht nun die beiden Kennlinien UM und UR. Der Komparator 4 kann hierbei günstigerweise als Operationsverstärker ausgebildet sein. Entsprechend der Dimensionierung des Filters schneiden sich die beiden Kennlinien nur beim Einschaltpeak, das bedeutet, wenn der Anker seine Endlage erreicht.
Um das Signal über den Einschaltzeitraum des Magneten 1 zu halten, ist ein Halteglied 7 und ein Reset 6 vorgesehen. Durch eine Spannungsstabilisierung 5 wird der Komparator 4 und der Reset 6 versorgt.
Im Vergleich der Graphen nach Fig. 2 und Fig. 3 wird der erfindungsgemäße Effekt deutlich.
In Fig. 2, 3 sind Spannungs-Zeit-Diagramme gezeigt.
In Fig. 2 ist die Lösung nach dem Stand der Technik insbesondere das Gradientenverfahren gezeigt.
Im Zeitsegment I wird der Anker beschleunigt, der Strom steigt an, dadurch steigt auch die am Shuntwiderstand abgegriffene Spannung an. Gleichzeitig nimmt die Gegeninduktion zu.
Im Zeitintervall II bricht der Strom (und somit auch die Spannung) aufgrund der Gegeninduktion ein und der Anker läuft in seine Endlage ein. Der Schaltzeitpunkt, also der Zeitpunkt in welchem der Anker seine Endlage erreicht, ist mit A gekennzeichnet. Im Zeitintervall III erfolgt wiederum ein Strom- (und somit Spannungs-)anstieg bis zum Haltestrom. Im Gegensatz zu diesem durch UM gekennzeichneten Verlauf wird der Spannungsverlauf UB angedeutet, wenn der Anker blockiert. Auffällig ist, daß der Spannungsabfall insbesondere im Zeitintervall II bei dem Spannungsverlauf UB nicht vorliegt und somit ein charakteristischer Unterschied besteht.
Mit dUM/dt ist die Ableitung der Magnetspannung angedeutet. Diese Ableitung ist negativ in dem Zeitintervall II. Dieses Signal wird nach dem verhältnismäßig komplizierten Lösung des Standes der Technik ausgenützt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist in Fig. 3 gezeigt. Entsprechend der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird von der Magnetspannung UM eine Referenzspannung UR abgeleitet. Das Zeitintervall B wird begrenzt durch die beiden Schnittpunkte B1 und B2 der Referenzspannung UR mit der Magnetspannung UM. Innerhalb des Zeitsegmentes B ist die Referenzspannung UR größer als die Magnetspannung UM. Der Zeitpunkt A, der den Schaltzustand beziehungsweise das Erreichen der Ankerendlage kennzeichnet befindet sich innerhalb des Zeitintervalles B. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird ein sicheres Verfahren zur Erkennung der Endlage des Ankers zur Verfügung gestellt, das unabhängig von äußeren Einflüssen zuverlässig funktioniert.
Innerhalb des Zeitintervalles B liegt an dem Ausgang das Ausgangssignal Uaus an. Dieses Ausgangssignal kann dabei optisch angezeigt werden, indem zum Beispiel eine LED vorgesehen ist. Es ist auch möglich, das Ausgangssignal Uaus einer den Elektromagneten überwachenden Überwachungssteuerung zuzuleiten, die das Signal entsprechend digital oder analog weiterverarbeitet.
Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten, wobei von dem die Spule durchfließendem Magnetstrom eine Magnetspannung erzeugt wird und diese Magnetspannung mit einer Referenzspannung verglichen wird und durch diesen Vergleich eine entsprechende Ankerlage festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzspannung eine gefilterte, gegebenenfalls abgeflachte Magnetspannung verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung von der Magnetspannung durch einen Tiefpaßfilter als Filter erzeugt wird.
  3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung von der Magnetspannung durch einen Spannungsteiler erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt des Verlaufs der Referenzspannung und der Magnetspannung als Schaltsignal beziehungsweise Signal der Ankerlage ausgewertet wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspannung unverändert oder kaum verändert mit der Referenzspannung verglichen wird.
  6. Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten, wobei der durch die Spule fließende Magnetstrom an einem Widerstand zu einer Magnetspannung führt und diese mit einer Referenzspannung in einem Komparator verglichen wird, wobei an dem Ausgang des Komparators ein entsprechendes Ausgangssignal abgreifbar ist, wenn in dem Komparator die entsprechende Vergleichsbedingung von Magnetspannung und Referenzspannung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (UR) in einem Filter (3) von der Mangetspannung (UM) durch eine Abflachung der Magnetspannung (UM) erzeugt wird.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Komparator (4) ein Operationsverstärker dient.
  8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Komparators (4) ein Ausgangssignal (Uaus) dann abgreifbar ist, wenn sich der Verlauf von Referenzspannung (UR) und Magnetspannung (UM) schneiden.
  9. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Halten eines Schaltsignals als Ausgangssignal des Komparators (4) ein Halteglied (7) bzw. Flip-Flop und ein Reset (6) vorgesehen sind.
  10. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter (3) ein Tiefpaßfilter und/oder Spannungsteiler vorgesehen ist.
  11. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Uaus) optisch angezeigt wird und/oder in eine Überwachungssteuerung eingespeist wird.
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