EP1872378B1 - Sensorlose positionserkennung in einem elektromagnetischen aktuator - Google Patents

Sensorlose positionserkennung in einem elektromagnetischen aktuator Download PDF

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EP1872378B1
EP1872378B1 EP06742532.2A EP06742532A EP1872378B1 EP 1872378 B1 EP1872378 B1 EP 1872378B1 EP 06742532 A EP06742532 A EP 06742532A EP 1872378 B1 EP1872378 B1 EP 1872378B1
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EP
European Patent Office
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coil
coils
pole
voltage
switch
Prior art date
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EP06742532.2A
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English (en)
French (fr)
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EP1872378A1 (de
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Reiner Keller
Kai Heinrich
Michael Pantke
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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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
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F2007/1692—Electromagnets or actuators with two coils
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    • 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
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuator having at least two coils, an armature and a drive or power electronics according to the preamble of claim 1 and a method for controlling such an actuator according to the preamble of claim 9.
  • the DE 103 10 448 A1 discloses an electromagnetic actuator with two coils and an armature. By energizing the coils of the armature is moved in the axial direction.
  • the DE 199 10 497 A1 describes a method in which the position of an armature is detected in an actuator with a coil on the determination of the differential inductance of the coil. For this purpose, during a current drop, the current fall time is determined as a time difference between two threshold values. The current fall time depends strongly on the resistance of the coil and this is temperature dependent.
  • the DE 100 33 923 A1 discloses a method in which the position of an armature in dependence on the mutual induction, which causes the movement of an armature in a coil, is determined.
  • the mutual induction depends on the speed of the anchor.
  • the speed of the armature is highly dependent on the viscosity of the fluid.
  • the viscosity of a fluid is also temperature-dependent.
  • the US 2003/0098686 discloses the preamble of claim 1.
  • an actuator which consists of at least two coils, an armature and a drive or power electronics.
  • the power electronics is connected to a logic unit and is controlled by them.
  • the power electronics contain at least switches, which are turned on or off, whereby a current flow allows or is interrupted. About the switch, the two coils are energized.
  • the armature can be displaced via the regulation of the current in the coils and / or the position of the armature can be measured.
  • the armature is slidably mounted between the two coils and back and forth between two end positions, wherein the anchor can also assume intermediate positions. To each of the two coils, a measuring amplifier is connected, which measures the voltage curve across the coils over time.
  • the measuring signals of the measuring amplifiers are forwarded to a differentiator.
  • a third voltage profile is calculated from the measurement signals, which contains a maximum value that depends on the position of the armature. This is because the inductance of a coil increases when an armature is pushed into it. Since the resistance of a coil depends on its inductance, the armature position influences the voltage curve.
  • the maximum value of the third voltage profile is detected by the logic unit and, depending on this, it calculates the armature position.
  • the power electronics has 3 or 4 switches.
  • the logic unit consists for example of a ⁇ -controller or ⁇ -processor.
  • the replacement diagram of one of the at least two coils may be presented for AC considerations by a known L-C-R resonant circuit.
  • a resonant circuit consists of a first and a consultedt parallel-connected AC resistors.
  • the first AC resistance consists of a series connection of a model coil and an ohmic resistance, the second AC resistance of a series circuit of a capacitor and another ohmic resistance. Both AC resistances are dependent on the frequency of the excitation.
  • the coils are acted upon by a sudden energizing with a voltage jump. This moment, the turn-on torque, can be described by applying the coils to an alternating current of infinitely high frequency (f ⁇ ⁇ ).
  • the AC resistance of the model coils depends on their inductance. Since the inductance of a coil increases when an armature is immersed in it, the AC resistances of the model coils change depending on the armature position.
  • the voltage curves at the two coils are measured via the measuring amplifiers. Now, if the coils suddenly loaded with a surging voltage and the anchor is not in the middle between the two coils, results in the two coils two different voltage waveforms. These are subtracted from each other in the subtractor, resulting in a curve with a maximum value corresponding to the anchor position.
  • This third voltage profile is forwarded to the logic unit, which detects the maximum value.
  • the anchor position can be determined, for example, by a comparison with a map.
  • Fig. 1 shows an electromagnetic actuator, which consists of two coils 1, 2 and an armature 3.
  • the armature 3 is slidably mounted between the two coils 1, 2.
  • the input of the first coil 1 is connected to a first pole 5 of a voltage source 6.
  • the output 7 of the first coil 1 can be connected either via a first switch 8 to the second pole 9 of the voltage source 6 or via a third switch 10 to the input 11 of the second coil 2.
  • the input 11 of the second coil 2 can be connected to the first pole 5 of the voltage source 6 either via a second switch 12 or to the output 7 of the first coil 1 via the third switch 10.
  • the three switches 8, 10, 12 form the power electronics of the actuator.
  • the output 13 of the second coil 2 is in turn connectable to the second pole 9 of the voltage source 6.
  • a respective measuring amplifier 14, 15 is connected with the input and output 4, 7 of the first coil 1 and the input and output 11, 13 of the second coil 2, a respective measuring amplifier 14, 15 is connected.
  • the measuring amplifiers 14, 15 are connected to the difference former 16, which is connected to the logic unit 17, to which it in turn conducts data.
  • the logic unit 17 controls the three switches 8, 10, 12.
  • the three switches 8, 10, 12 are so controlled that either the armature 3 shifts, or the two coils 1, 2 are subjected to a voltage jump. If now of the logic unit 17 of the first and the second switch 8, 12 are driven so that they are open and at the same time the third switch 10 is closed, the two coils 1, 2 are subjected to a voltage jump. In this switch-on the position of the armature 3 is determined from the voltage waveform across the two coils 1, 2.
  • the inventive arrangement therefore, a position detection of an actuator is possible without the need for an extra sensor is used. As a result, costs and installation space can be saved.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of an electromagnetic actuator, which consists of two coils 1, 2 and an armature 3. This is a permanent magnetic anchor.
  • the two coils 1, 2 are wound in opposite directions, the winding direction of a first coil 1 is thus opposite to the winding direction of the second coil 2.
  • the input 4 of the first coil 1 can be connected to the first pole 5 either via the first switch 8 or to the second pole 9 of the voltage source 6 via the second switch 12.
  • the output 7 of the first coil 1 is connected to the input 11 of the second coil 2.
  • the output 13 of the second coil 2 can be connected either to the first pole 5 via a third switch 10 or to the second pole 9 of the voltage source 6 via the fourth switch 18.
  • a respective measuring amplifier 14, 15 is connected with the input and output 4, 7 of the first coil 1 and the input and output 11, 13 of the second coil 2, a respective measuring amplifier 14, 15 is connected.
  • the measuring amplifiers 14, 15 are furthermore connected to the differential former 16.
  • the difference generator 16 passes data to the logic unit 17.
  • the logic unit 17 controls the four switches 8, 10, 12, 18, which form the power electronics of the actuator. By controlling the power electronics, the armature 3 can be moved and at the same time its position can be measured.
  • the inventive arrangement therefore, a position detection of an actuator is possible without the need for an extra sensor is used.
  • the position measurement is possible during the switching operations. As a result, costs and space and also time can be saved.
  • the voltage jump is switched in this embodiment by two switch positions. Either the first and fourth switches 8, 18, or the second and third switches 12, 10 are closed.
  • the input 4 of the first coil 1 is connected to the first pole 5 of the voltage source 6 and the output 13 of the second coil 2 to the second pole 9 of the voltage source 6.
  • the input 4 of the first coil 1 with the second pole 9 and the output 13 of the second coil 2 connected to the first pole 5 of the voltage source 6. Because the two Coils 1, 2 are connected directly to each other results in a voltage jump in both cases.
  • the armature 3 is acted upon for adjustment with a pulse width modulated signal. Since the voltage is switched on and off again and again with such a signal, the coils 1, 2 are repeatedly subjected to a voltage jump. Thus, the position of the armature 3 can be determined at any time of the switching of the voltage signal.
  • Fig. 3 shows the structure of a known LCR resonant circuit 27, with which the coils 1, 2 can be described when connecting an AC voltage.
  • the input of the resonant circuit corresponds to the inputs 4, 11 of the coils.
  • the output of the resonant circuit corresponds to the outputs 7, 13 of the two coils.
  • the resonant circuit has two paths. The first path is described by the model coil 19 and a first ohmic resistor 20 and forms a first AC resistance 31.
  • the second path is described by a capacitance 21 and a second ohmic resistance 22 and forms a second AC resistance 32.
  • Fig. 4 shows a voltage curve, which is measured by the measuring amplifiers 14, 15 at the two coils 1, 2.
  • a first time 28 describes the switch-on time at which a voltage jump is applied to both coils 1, 2. This is described in an exemplary way by applying an alternating voltage with an infinitely high frequency (f ⁇ ⁇ ). As a result, the course of the voltages on the coils 1, 2 depends on the respective AC resistors 31, 32. Up to a second time 29 (eg 5 ms), a first voltage curve 23 rises to a maximum value and the second voltage curve drops to a minimum value. The course up to the first time 28 is based on the influence of the parasitic capacitances 22. These occur in principle due to the interaction between the individual turns of the windings.
  • the AC resistance of a Capacity goes to zero at f ⁇ ⁇ .
  • a transient begins at the second time 29 and the current flows through the model coil 19 until a third time 30 (eg, 50 ms).
  • the AC resistance 31 depends on the inductance of the model coil 19, which in turn depends on the position of the armature 3.
  • the inductance is higher, the further an armature 3 is immersed in a coil.
  • the transient is completed. and the voltage curves 23, 24 are determined only by the two ohmic resistors 20 of the two coils 1, 2.
  • DC states prevail again.
  • the DC resistances of the two coils 1, 2 are advantageously the same size, resulting in no difference between the two voltage curves 23, 24 results.
  • the first voltage waveform 23 shows the voltage waveform of the first coil 1 when the armature 3 is immersed in it.
  • the second voltage curve represents the voltage curve in the second coil 2.
  • both measured voltage profiles 23, 24 are subtracted from each other. This results in a third voltage curve 25 corresponding to the Fig. 5 . From the maximum value 26 of the third voltage curve 25, the anchor position in the logic unit 17 is determined, for example, by a comparison with a characteristic map stored there.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktuator mit zumindest zwei Spulen, einem Anker und einer Ansteuer- oder Leistungselektronik entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Steuerung eines solchen Aktuators entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Die DE 103 10 448 A1 offenbart einen elektromagnetischen Aktuator mit zwei Spulen und einem Anker. Durch das Bestromen der Spulen wird der Anker in axialer Richtung verschoben.
  • In der DE 199 10 497 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Lage eines Ankers in einem Aktuator mit einer Spule über die Bestimmung der differentiellen Induktivität der Spule erkannt wird. Hierzu wird während eines Stromabfalls die Stromabfallzeit als Zeitdifferenz zwischen zwei Schwellwerten bestimmt. Die Stromabfallzeit hängt dabei stark vom Widerstand der Spule ab und dieser ist temperaturabhängig.
  • Weiterhin wird in der DE 100 33 923 A1 ein Verfahren offenbart, in dem die Position eines Ankers in Abhängigkeit von der Gegeninduktion, welche die Bewegung eines Ankers in einer Spule hervorruft, bestimmt wird. Die Gegeninduktion ist abhängig von der Geschwindigkeit des Ankers. Wird ein solcher Aktuator in einem fluidgefüllten Raum verwendet, ist die Geschwindigkeit des Ankers stark von der Viskosität des Fluids abhängig. Auch die Viskosität eines Fluids ist temperaturabhängig. Die US 2003/0098686 offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, die Positionsbestimmung eines Stellgliedes in einem elektromagnetischen Aktuator ohne zusätzlichen Sensor zu ermöglichen, wobei die Positionsbestimmung besonders temperaturunabhängig sein soll.
  • Die Aufgabe wird durch einen Aktuator entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie einem Verfahren zur Steuerung eines Aktuators entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst
  • Erfindungsgemäß wird ein Aktuator vorgeschlagen, welcher zumindest aus zwei Spulen, einem Anker und einer Ansteuer- oder Leistungselektronik besteht. Die Leistungselektronik ist mit einer Logikeinheit verbunden und wird durch sie angesteuert. Die Leistungselektronik enthält zumindest Schalter, welche ein- oder ausgeschaltet werden, wodurch ein Stromfluß ermöglicht oder unterbrochen wird. Über die Schalter sind die beiden Spulen mit Strom beaufschlagbar. Erfindungsgemäß ist über die Regelung des Stroms in den Spulen der Anker verschiebbar und/oder die Position des Ankers meßbar. Der Anker ist verschiebbar zwischen beiden Spulen gelagert ist und zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegbar, wobei der Anker auch Zwischenpositionen einnehmen kann. An die beiden Spulen ist jeweils ein Messverstärker angeschlossen, welcher den Spannungsverlauf an den Spulen über der Zeit misst. Die Messsignale der Messverstärker werden an einen Differenzierer weitergeleitet. In dem Differenbildner wird aus den Messsignalen ein dritter Spannungsverlauf berechnet, welcher einen Maximalwert enthält, der von der Position des Ankers abhängt. Dies beruht darauf, dass sich die Induktivität einer Spule erhöht, wenn ein Anker in sie hinein geschoben wird. Da der Widerstand einer Spule von deren Induktivität abhängt, beeinflusst die Ankerposition den Spannungsverlauf. Der Maximalwert des dritten Spannungsverlaufs wird von der Logikeinheit erkannt und in Abhängigkeit davon berechnet die sie die Ankerposition.
  • In einer Ausgestaltung besitzt die Leistungselektronik 3 oder 4 Schalter. Die Logikeinheit besteht beispielsweise aus einem µ-Controller oder µ-Prozessor.
  • Das Ersatzschaubild einer der mindestens zwei Spulen kann für Wechselstrombetrachtungen durch einen bekannten L-C-R-Schwingkreis dargestellt werden. Ein solcher Schwingkreis besteht aus einem ersten und einem zweitent parallel geschalteten Wechselstromwiderständen. Der erste Wechselstromwiderstand besteht aus einer Reihenschaltung einer Modellspule und einem ohmschen Widerstand, der zweite Wechselstromwiderstand aus einer Reihenschaltung einer Kapazität und einem weiteren ohmschen Widerstand. Beide Wechselstromwiderstände sind abhängig von der Frequenz der Erregung. Erfindungsgemäß werden die Spulen durch ein plötzliches Bestromen mit einem Spannungssprung beaufschlagt. Dieser Moment, der Einschaltmoment, kann durch ein Beaufschlagen der Spulen mit einem Wechselstrom mit unendlich hoher Frequenz (f → ∞), beschrieben werden. Der Wechselstromwiderstand der Modellspulen hängt von ihrer Induktivität ab. Da die Induktivität einer Spule sich erhöht, wenn ein Anker in sie eintaucht, ändern sich die Wechselstromwiderstände der Modellspulen in Abhängigkeit von der Ankerposition.
  • Erfindungsgemäß werden über die Messverstärker die Spannungsverläufe an den beiden Spulen gemessen. Werden nun die Spulen plötzlich mit einer sprunghaft steigenden Spannung beaufschlagt und befindet sich der Anker nicht in der Mitte zwischen beiden Spulen, ergeben sich in den beiden Spulen zwei unterschiedliche Spannungsverläufe. Diese werden im Differenzbildner von einander abgezogen, woraus sich eine Kurve mit einem Maximalwert entsprechend der Ankerposition ergibt. Dieser dritte Spannungsverlauf wird an die Logikeinheit weitergeleitet, welche den Maximalwert erkennt. Entsprechend dem Maximalwert ist von der Logikeinheit die Ankerposition bestimmbar, beispielsweise durch einen Vergleich mit einem Kennfeld.
  • Durch die Differenzbildung der beiden Spannungsverläufe wird auch der Einfluß von Störungen, welche auf beide Spulen wirken, ausgeschlossen. Bei bekannten Aktuatoren mit nur einer Spule können beispielsweise elektromagnetische Störeinträge den Spannungsverlauf in der Spule und somit die Positionsbestimmung beinflussen. In einer vorteilhaften Ausführung werden zwei gleiche Spulen verwendet, so dass ein elektromagnetisch symmetrischer Aktuator erschaffen wird. Dadurch wirken sich Störungen auf beide Spulen immer in der gleichen Weise aus. Da die beiden Spannungsverläufe der beiden Spulen voneinander abgezogen werden, haben diese Störungen keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Weiterhin werden auch Temperatureinflüsse durch die erfindungsgemäße Lösung ausgeschlossen. Durch die Beaufschlagung der Spulen mit einem Spannungssprung ergeben sich die ohmschen Anteile der Wechselstromwiderstände als vernachlässigbar gering gegenüber den frequenzabhängigen Anteilen der Wechselstromwiderstände. Damit hängt der Spannungsverlauf zum Zeitpunkt der Beaufschlagung maßgblich von den frequenzabhängigen Anteilen der Wechselstromwiderstände ab, welche von der Position des Ankers aber nicht von der Umgebungstemperatur abhängen.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sowie dessen Ausführungsformen ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt.
    In dieser zeigt:
    • Fig. 1
    Prinzipschaubild eines Aktuators;
    Fig. 2
    Prinzipschaubild eines Aktuators mit einem permanentmagnetischen Anker;
    Fig. 3
    Prinzipschaubild eines LCR-Schwingkreises;
    Fig. 4
    gemessene Spannungsverläufe an den beiden Spulen und
    Fig. 5
    berechneter Spannungsverlauf aus den beiden Spulen.
  • Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator, welcher aus zwei Spulen 1, 2 und einem Anker 3 besteht. Der Anker 3 ist verschiebbar zwischen den beiden Spulen 1, 2 gelagert. Der Eingang der ersten Spule 1 ist mit einem ersten Pol 5 einer Spannungsquelle 6 verbunden. Der Ausgang 7 der ersten Spule 1 ist entweder über einen ersten Schalter 8 mit dem zweiten Pol 9 der Spannungsquelle 6 oder über einen dritten Schalter 10 mit dem Eingang 11 der zweiten Spule 2 verbindbar. Der Eingang 11 der zweiten Spule 2 ist entweder über einen zweiten Schalter 12 mit dem ersten Pol 5 der Spannungsquelle 6 oder über den dritten Schalter 10 mit dem Ausgang 7 der ersten Spule 1 verbindbar. Die drei Schalter 8, 10, 12 bilden die Leistungselektronik des Aktuators. Der Ausgang 13 der zweiten Spule 2 ist wiederum mit dem zweiten Pol 9 der Spannungsquelle 6 verbindbar. Mit dem Ein- und Ausgang 4, 7 der ersten Spule 1 sowie dem Ein- und Ausgang 11, 13 der zweiten Spule 2 ist jeweils ein Messverstärker 14, 15 verbunden. Die Messverstärker 14, 15 sind mit dem Differenzbildner16 verbunden, welcher mit der Logikeinheit 17 verbunden ist, an welche er wiederum Daten leitet. Die Logikeinheit 17 steuert die drei Schalter 8, 10, 12 an. Die drei Schalter 8, 10, 12 sind dabei so ansteuerbar, dass sich entweder der Anker 3 verschiebt, oder die beiden Spulen 1, 2 mit einem Spannungssprung beaufschlagt werden. Wenn nun von der Logikeinheit 17 der erste und der zweite Schalter 8, 12 so angesteuert werden, dass sie geöffnet sind und gleichzeitig der dritte Schalter 10 geschlossen ist, werden die beiden Spulen 1, 2 mit einem Spannungssprung beaufschlagt. In diesem Einschaltmoment wird aus dem Spannungsverlauf an den beiden Spulen 1, 2 die Position des Ankers 3 bestimmt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist also eine Positionserkennung eines Stellgliedes möglich, ohne dass dafür ein extra Sensor verwendet wird. Dadurch können Kosten und Bauraum gespart werden.
  • Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines elektromagnetischen Aktuators, welcher aus zwei Spulen 1, 2 und einem Anker 3 besteht. Hierbei handelt es sich um einen permanentmagnetischen Anker. Zudem sind die beiden Spulen1, 2 gegensinnig gewickelt, die Wicklungsrichtung einer ersten Spule 1 ist also der Wicklungsrichtung der zweiten Spule 2 entgegengesetzt. Der Eingang 4 der ersten Spule 1 ist entweder über den ersten Schalter 8 mit dem ersten Pol 5 oder über den zweiten Schalter 12 mit dem zweiten Pol 9 der Spannungsquelle 6 verbindbar. Der Ausgang 7 der ersten Spule 1 ist mit dem Eingang 11 der zweiten Spule 2 verbunden. Der Ausgang 13 der zweiten Spule 2 ist entweder über einen dritten Schalter 10 mit dem ersten Pol 5 oder über den vierten Schalter 18 mit dem zweiten Pol 9 der Spannungsquelle 6 verbindbar. Mit dem Ein- und Ausgang 4, 7 der ersten Spule 1 sowie dem Ein- und Ausgang 11, 13 der zweiten Spule 2 ist jeweils ein Messverstärker 14, 15 verbunden. Die Messverstärker14, 15 sind weiterhin mit dem Differenzbildner 16 verbunden. Der Differenzbildner16 leitet Daten an die Logikeinheit 17. Die Logikeinheit 17 steuert die vier Schalter 8, 10, 12, 18 an, welche die Leistungselektronik des Aktuators bilden. Durch die Ansteuerung der Leistungselektronik kann der Anker 3 verschoben und gleichzeitig seine Stellung gemessen werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist also eine Positionserkennung eines Stellgliedes möglich, ohne dass dafür ein extra Sensor verwendet wird. Zudem ist die Positionsmessung auch während der Schaltvorgänge möglich. Dadurch können Kosten und Bauraum und zudem auch Zeit gespart werden. Der Spannungssprung wird bei dieser Ausführung durch zwei Schalterstellungen aufgeschaltet. Entweder es werden der erste und der vierte Schalter 8, 18, oder der zweite und dritte Schalter 12, 10 geschlossen. Im ersten Fall wird der Eingang 4 der ersten Spule 1 mit dem ersten Pol 5 der Spannungsquelle 6 verbunden und der Ausgang 13 der zweiten Spule 2 mit dem zweiten Pol 9 der Spannungsquelle 6. Im zweiten Fall werden der Eingang 4 der ersten Spule 1 mit dem zweiten Pol9 und der Ausgang 13 der zweiten Spule 2 mit dem ersten Pol 5 der Spannungsquelle 6 verbunden. Da die beiden Spulen 1, 2 direkt miteinander verbunden sind ergibt sich in beiden Fällen ein Spannungssprung. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Anker 3 zur Verstellung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt. Da bei einem solchen Signal die Spannung immer wieder ein- und ausgeschaltet wird, werden die Spulen 1, 2 immer wieder mit einem Spannungssprung beaufschlagt. Somit kann zu jedem Zeitpunkt der Umschaltung des Spannungssignals die Position des Ankers 3 bestimmt werden.
  • Fig. 3 zeigt den Aufbau eines bekannten LCR-Schwingkreises 27, mit welchem die Spulen 1, 2 bei Aufschaltung einer Wechselspannung beschrieben werden können. Der Eingang des Schwingkreises entspricht den Eingängen 4, 11 der Spulen. Der Ausgang des Schwingkreises entspricht den Ausgängen 7, 13 der beiden Spulen. Der Schwingkreis besitzt zwei Pfade. Der erste Pfad wird durch die Modellspule 19 und einen ersten ohmschen Widerstand 20 beschrieben und bildet einen ersten Wechselstromwiderstand 31. Der zweite Pfad wird durch eine Kapazität 21 und einen zweiten ohmschen Widerstand 22 beschrieben und bildet einen zweiten Wechselstromwiderstand 32.
  • Fig. 4 zeigt einen Spannungsverlauf, welcher von den Messverstärkern 14, 15 an den beiden Spulen 1, 2 gemessen wird. Ein erster Zeitpunkt 28 beschreibt den Einschaltzeitpunkt, an dem ein Spannungssprung auf beide Spulen 1,2 aufgeschaltet wird. Modellhaft wird dies durch ein Aufschalten einer Wechselspannung mit einer unendlich hohen Frequenz (f→∞) beschrieben. Dadurch hängt der Verlauf der Spannungen an den Spulen 1, 2 von den jeweiligen Wechselstromwiderständen 31, 32 ab. Bis zu einem zweiten Zeitpunkt 29 (z. B. 5 ms) steigt ein erster Spannunsverlauf 23 Linie auf ein Maximalwert und der zweite Spannungsverlauf sinkt auf einen Minimalwert. Der Verlauf bis zum ersten Zeitpunkt 28 beruht auf dem Einfluss der parasitären Kapazitäten 22. Diese treten prinzipbedingt aufgrund der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Windungen der Wicklungen auf. Der Wechselstromwiderstand einer Kapazität geht bei f→∞ gegen Null. Während der Aufladung der Kapazität steigt ihr Widerstand. Ab dem zweiten Zeitpunkt 29 beginnt ein Einschwingvorgang und der Strom fließt durch die Modellspule 19 bis zu einem dritten Zeitpunkt 30 (z. B. 50 ms). Der Wechselstromwiderstand 31 hängt von der Induktivität der Modellspule 19 ab, welche wiederum von der Position des Ankers 3 abhängt. Dabei ist die Induktivität umso höher, je weiter ein Anker 3 in eine Spule eingetaucht ist. Im dritten Zeitpunkt 30 ist der Einschwingvorgang abgeschlossen. und die Spanungsverläufe 23, 24 werden nur noch durch die beiden ohmschen Widerstände 20 der beiden beiden Spulen 1, 2 bestimmt. Am Ende des Einschwingvorgangs herrschen wieder Gleichstromzustände. Die Gleichstromwiderstände der beiden Spulen 1, 2 sind vorteilhafter Weise gleich groß, wodurch sich keine Differenz mehr zwischen den beiden Spannungsverläufen 23, 24 ergibt. In Fig. 4 zeigt der erste Spannungsverlauf 23 beispielsweise den Spannungsverlauf der ersten Spule 1, wenn der Anker 3 in sie eingetaucht ist. Die zweite Spannungsverlauf stellt den Spannungsverlauf in der zweiten Spule 2 dar.
  • Im Differenzbildner 16 werden nun beide gemessenen Spannungsverläufe 23, 24 voneinander abgezogen. Dadurch ergibt sich ein dritter Spannungsverlauf 25 entsprechend der Fig. 5. Aus dem Maximalwert 26 des dritten Spannungsverlaufs 25 wird in der Logikeinheit 17 die Ankerpositon beispielsweise durch einen Vergleich mit einem dort abgelegten Kennfeld bestimmt.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Spule
    2
    Spule
    3
    Anker
    4
    Eingang der ersten Spule
    5
    erster Pol einer Spannungsquelle
    6
    Spannungsquelle
    7
    Ausgang der ersten Spule
    8
    erster Schalter
    9
    zweiter Pol einer Spannungsquelle
    10
    dritter Schalte
    11
    Eingang der zweiten Spule
    12
    zweiter Schalter
    13
    Ausgang der zweiten Spule
    14
    erster Meßverstärker
    15
    zweiter Meßverstärker
    16
    Differenzbildner
    17
    Logikeinheit
    18
    vierter Schalter
    19
    Modellspule
    20
    Widerstand
    21
    Kapazität
    22
    Widerstand
    23
    erster Spannungsverlauf
    24
    zweiter Spannungsverlauf
    25
    dritter Spannungsverlauf
    26
    Maximalwert
    27
    LCR-Schwingkreis
    28
    erster Zeitpunkt
    29
    zweiter Zeitpunkt
    30
    dritter Zeitpunkt
    31
    erster Wechselstromwiderstand
    32
    zweiter Wechselstromwiderstand

Claims (15)

  1. Elektromagnetischer Aktuator mit zumindest einem Anker (3), zwei Spulen (1, 2) sowie einer Ansteuer- oder Leistungselektronik, wobei der Anker (3) verschiebbar zwischen den Spulen (1, 2) gelagert ist, wobei der Eingang (4) der ersten Spule (1) mit einem Messverstärker (14) verbunden ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ausgang ( 7) der ersten Spule (1) sowie der Ein- und Ausgang (11, 13) der zweiten Spule jeweils mit Messverstärkern (14,15), die Messverstärker (14, 15) mit einem Differenzbildner (16), der Differenzbildner (16) mit einer Logikeinheit (17) und die Logikeinheit (17) mit der Leistungselektronik verbunden ist.
  2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik zumindest 3 oder 4 Schalter (8, 10, 12, 18) beinhaltet.
  3. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Logikeinheit (17) aus einem µ-Controller oder einem µ-Prozessor besteht.
  4. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e - kennzeichnet, dass der Eingang (4) einer ersten Spule (1) mit einem ersten Pol (5) einer Spannungsquelle (6) verbunden ist, der Ausgang (7) der ersten Spule (1) über einen ersten Schalter (8) mit einem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) und/oder über einen dritten Schalter (12) mit dem Eingang (11) einer zweiten Spule (2) verbindbar ist, der Eingang (11) der zweiten Spule (2) über den zweiten Schalter (12) mit dem ersten Pol (5) der Spannungsquelle (6) und/oder über den dritten Schalter (10) mit der ersten Spule (1) verbindbar ist und der Ausgang (13) der zweiten Spule (2) mit dem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbunden ist.
  5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-zeichnet, dass ein Eingang (4) der ersten Spule (1) über einen ersten Schalter (8) mit einem ersten Pol (5) einer Spannungsquelle (6) und/oder über einen zweiten Schalter (12) mit einem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbindbar ist, der Ausgang (7) der ersten Spule (1) mit einem Eingang (11) der zweiten Spule (2) verbunden ist und ein Ausgang (13) der zweiten Spule (2) über einen dritten Schalter (10) mit dem ersten Pol (5) und/oder über einen vierten Schalter (18) mit dem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbindbar ist.
  6. Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung einer der Spulen (1, 2) im Uhrzeigersinn und die Wicklung der jeweils anderen Spule (2, 1) entgegen dem Uhrzeigersinn ausgeführt ist.
  7. Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein permanentmagnetischer Anker (3) verschiebbar zwischen der ersten und der zweiten Spule (1, 2) gelagert ist.
  8. Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e - kennzeichnet, dass zwei gleiche Spulen verwendet werden.
  9. Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spulen (1, 2) plötzlich mit einer sprunghaft steigenden Spannung beaufschlagt werden, die Messverstärker (14, 15) die Spannungsverläufe (23, 24) an den beiden Spulen (1, 2) über der Zeit messen und die Messwerte an den Differenzbildner (16) weitergeleitet werden, welcher daraus einen dritten Spannungsverlauf (25) berechnet, welcher in der Logikeinheit (17) ausgewertet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Logikeinheit (17) die Leistungselektronik ansteuert und durch
    - die Leistungselektronik beide Spulen (1, 2) sprunghaft mit einer Spannung beaufschlagt werden und dass
    - die Messverstärker (14, 15) die Spannungsverläufe (23, 24) an beiden Spulen (1, 2) über der Zeit messen und die Messsignale (23, 24) an den Differenzbildner (16) weiterleiten, wobei
    - der Differenzbildner (16) die beiden Spannungsverläufe (23, 24) voneinander abzieht und aus der Differenz einen dritten Spannungsverlauf (25) berechnet, und
    - die Logikeinheit (17) entsprechend der Höhe des Maximalwertes (26) des dritten Spannungsverlaufs (25) die Position des Ankers (3) bestimmt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (17) die Leistungselektronik so ansteuert, dass der erste und einen zweiten Schalter (8, 12) geöffnet werden und der dritte Schalter (10) geschlossen wird, wodurch beide Spulen (1, 2) in Reihe geschaltet werden und der Eingang (4) der ersten Spule (1) mit dem ersten Pol (5) der Spannungsquelle (6) und der Ausgang (13) der zweiten Spule (2) mit dem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbunden wird und somit beide Spulen (1, 2) plötzlich mit einer sprunghaft steigenden Spannung beaufschlagt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (17) einen ersten und einen vierten Schalter (8, 18) so ansteuert, dass jeweils beide Schalter (8, 18) geschlossen sind und somit der Eingang (4) der ersten Spule (1) mit dem ersten Pol (5) der Spannungsquelle (6) verbunden ist und der Ausgang (7) der zweiten Spule (2) mit dem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbunden ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (17) einen zweiten und einen dritten Schalter (12, 10) so ansteuert, dass jeweils beide Schalter (12, 10) geschlossen sind und somit der Eingang (4) der ersten Spule (1) mit dem zweiten Pol (9) der Spannungsquelle (6) verbunden ist und der Ausgang (13) der zweiten Spule (2) mit dem ersten Pol (5) der Spannungsquelle (6) verbunden ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) von der Logikeinheit (17) über die Leistungselektronik mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlägt wird.
  15. Verwendung eines Aktuators entsprechend einer der Ansprüche 1 bis 7 in einem Kraftfahrzeuggetriebe.
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