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Dokumentenidentifikation DE102004056653A1 08.06.2006
Titel Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erkennen des Schaltens eines Magnetankers
Anmelder Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH, 80809 München, DE
Erfinder Scholl, Frank, 74379 Ingersheim, DE;
Schöneck, Markus, 74388 Talheim, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004056653
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Zum Erkennen des Schaltens eines Magnetankers, dessen Magnetspule mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, wird der durch die Magnetspule (1) fließende elektrische Strom (i) durch eine Messschaltung (V1) gemessen und der zeitliche Verlauf des Stromes ausgewertet. Ein Anziehen des Magnetankers wird dann erkannt, wenn der gemessene Strom innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer um einen vorgegebenen Wert absinkt. Ein ungewolltes Abfallen des Magnetankers wird dadurch erkannt, dass der Strom innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer um einen vorgegebenen Wert ansteigt. Ist das Anziehen des Magnetankers erkannt, so wird von einer erhöhten Anzugsspannung (Ua) auf eine niedrigere Haltespannung (Uh) umgeschaltet. Wird bei angelegter Haltespannung (Uh) ein ungewolltes Abfallen des Magnetankers festgestellt, so wird ein Refresh-Puls mit erhöhter Spannung (Ua) angelegt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Erkennen des Schaltens eines Magnetankers.

Steuergeräte von elektronischen Bremsen für Kraftfahrzeuge haben aus Sicherheitsgründen eine sog. "Backup-Funktion", bei der ein Elektromagnetventil während der elektrischen Steuerung der Bremse ständig angesteuert, d.h. erregt, ist. Ohne diese Ansteuerung ist keine elektrische Steuerung der Bremse möglich; es wird vielmehr dann auf eine rein pneumatische Bremssteuerung umgeschaltet.

Ein Problem ist es hierbei festzustellen, ob der Magnetanker sich mechanisch tatsächlich bewegt hat, das zugeordnete Ventil also in die aktive Stellung gegangen ist. Eine Erkennung des Schaltzustandes kann bisher nur über eine zeitverzögerte Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden. Insbesondere bei eventuell fehlerhaften Magneten und zeitlich sehr knapp ausgelegter Anzugsphase ist der Anzug des Magnetankers nicht sichergestellt. So kann es bei ungünstigen Bedingungen, wie z.B. Verunreinigungen vorkommen, dass der Magnetanker klebt und nicht innerhalb der spezifizierten Zeit anzieht.

Ein weiteres Problem ist, dass bei einem häufigen Ein- und Ausschalten des Backup-Magneten sich dessen Temperatur erhöht, da Anzugsphasen eine höhere Verlustleistung haben als ein Dauerbetrieb. Eine höhere Temperatur wirkt sich aber negativ auf die Lebensdauer aus.

Um die maximal zulässige Verlustleistung über einen weiten Bereich der Versorgungsspannung nicht zu überschreiten und gleichzeitig ein Anziehen des Magnetankers sicherzustellen, werden heute die Magnetspulen über einen 2-Punkt-Regler angesteuert, der unabhängig von der Versorgungsspannung eine äquivalente Spannung an die Magnetspulen anlegt. Dabei gibt es drei Ansteuerphasen:

  • – Zum Anziehen des Ankers wird eine erhöhte Spannung angelegt, die mit Sicherheit zu einem Anziehen des Magnetankers führt (Anzugsspannung);
  • – nach Anzug des Ankers wird eine niedrigere Spannung angelegt, die zum Halten des Ankers ausreicht (Haltespannung);
  • – um einen möglichen Abfall des Ankers während der Haltephase entgegenzuwirken, wird in regelmäßigen Zeitabständen kurzfristig eine erhöhte Spannung angelegt (sog. Refresh-Puls).

Gegenüber einer Stromregelung, die den Strom in der Spule unabhängig von der Versorgungsspannung und der Spulentemperatur konstant hält, hat die Spannungsregelung den Vorteil, dass die Ansteuerparameter auf die maximal auftretende Temperatur ausgelegt werden. Bei niedrigeren Temperaturen stellen sich höhere Ströme ein, die den Anzug des Ankers verbessern, ohne die Grenzdaten zu überschreiten. Die drei Ansteuerphasen stellen in der Regel sicher, dass der Anker anzieht. Ob er aber tatsächlich angezogen hat, lässt sich nicht feststellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der schnell und sicher festgestellt werden kann, ob der Magnetanker einer Magnetspule angezogen hat oder nicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Ansteuern eines induktiven Magnetventils der Strom in der Magnetspule nur langsam logarithmisch bis zu einem maximalen Wert ansteigt. Sobald sich der Magnetanker in Bewegung setzt und anzieht, zeigt die Stromkurve, d.h. der zeitliche Verlauf des Stromes einen charakteristischen Einbruch. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufes des Stromes kann man den Anzug des Ankers erkennen. In ähnlicher Weise zeigt die Stromkurve auch bei angelegter Haltespannung einen charakteristischen Anstieg an, wenn der Anker abfällt. Durch Auswertung der Stromkurve lässt sich somit auch feststellen, ob ein einmal angezogener Anker wieder abfällt. Beim Anziehen des Ankers kann man sehr schnell in die Haltephase übergehen, d.h. von der höheren Anzugsspannung auf die niedrigere Haltespannung umschalten. Damit ist die Anzugsphase zeitlich optimal angepasst und die Temperaturbelastung der Magnetspule wird auf einem Minimum gehalten. Wird innerhalb einer Maximalzeit der Anzugsspannung keine Ankerbewegung detektiert, so handelt es sich um einen defekten Magnetanker. Der Fehler wird erkannt und es kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Ebenso kann während einer Haltephase eine Abfallbewegung des Ankers sofort erkannt werden, worauf gezielt mit einem Impuls erhöhter Spannung reagiert werden kann. Die oben erwähnten Refresh-Pulse werden also nur dann erzeugt, wenn sie wirklich benötigt werden, was die Temperaturbelastung der Magnetspule ebenfalls verringert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.

Es zeigt:

1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

3 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes des Stromes an verschiedenen Messpunkten der Schaltungsanordnung der 1;

4 den prinzipiellen zeitlichen Verlauf des Stromes und der Spannung beim Anziehen eines Magnetankers; und

5 den prinzipiellen zeitlichen Verlauf des Stromes und der Spannung beim Abfallen eines Ankers mit anschließendem Refresh-Puls.

Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Eine Spule 1 eines Magnetventils, dessen Ankerbewegung erfasst werden soll, ist mit einem Anschluss an Versorgungsspannung UBatt angeschlossen und mit einem anderen Anschluss über einen Transistor T1 und einen Shunt-Widerstand R1 mit Masse verbunden. Die beiden Anschlüsse der Spule 1 des Magnetventils sind durch eine in Sperrrichtung geschaltete Diode D1 verbunden. Der durch die Magnetspule 1 bei durchgeschaltetem Transistor T1 fließende Strom führt zu einem Spannungsabfall am Shunt-Widerstand R1, wobei der zeitliche Verlauf des Stromes gemessen und ausgewertet wird. Hierzu ist der Shunt-Widerstand R1 über einen Widerstand R2 mit einem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers V1 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers V1 ist über einen Rückkopplungswiderstand R4 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V1 verbunden, der zusätzlich über einen Widerstand R3 mit Masse verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V1 bildet einen ersten Messpunkt M1. Weiter ist der Ausgang des Verstärkers V1 über einen Widerstand R5 und mit einem zweiten Messpunkt M2 verbunden, wobei der Widerstand R5 durch eine in Durchlassrichtung geschaltete Diode D2 überbrückt ist. Der Messpunkt M2 ist zusätzlich über einen Kondensator C1 mit Masse verbunden.

Der Messpunkt M2 ist mit dem Eingang eines Controllers 2 verbunden, in welchem der zeitliche Verlauf des Signales am Messpunkt M2 ausgewertet wird. Hierzu wird das Signal in einem Differenzierer 3 zunächst differenziert und dann in einem Mikroprozessor 4 weiter ausgewertet, insbesondere indem das Ausgangssignal des Differenzierers 3 in seinem zeitlichen Verlauf mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen wird. Der Mikroprozessor 4 steuert auch den Transistor T1 an.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung der 1 ist wie folgt:

Generell wird der Transistor T1 von dem Mikroprozessor 4 mit pulsweiten-modulierten Signalen angesteuert. Wenn am Messpunkt M1 gemessen wird, so erfolgt die Messung oder Auswertung nur während des leitenden Zustandes des Transistors T1. Die Messung des durch die Magnetspule 1 fließenden Stromes erfolgt hier im Prinzip über den Shunt-Widerstand R1 und ist daher in gewissem Ausmaß von der Höhe der Versorgungsspannung UBatt abhängig. Für die Erkennung des Ankeranzuges ist eine genaue Messung auch nicht erforderlich. Es genügt eine qualitative Messung des zeitlichen Verlaufs des Stromes.

Der Mikrocontroller 4 steuert über den Transistor T1 die Magnetspule 1 an. Weiter steuert er auch die Auswertung, die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 nur während des Einschaltzustandes des Transistors T1 erfolgt, wenn am Messpunkt M1 gemessen wird. Am Messpunkt M2 muss die Auswertung nicht mit dem PWM-Signal synchronisiert werden, da durch den Kondensator C1 eine Zwischenspeicherung der auszuwertenden Spannung erfolgt.

In 3 ist der zeitliche Verlauf der Signale an den Messpunkten M1 und M2 dargestellt. Die untere Kurve zeigt das mit den pulsweiten-modulierten Ansteuersignalen des Transistors T1 modulierte Signal am Messpunkt M1, während die obere Kurve das durch den aus dem Widerstand R5 und dem Kondensator C1 gebildeten Tiefpaß gefilterte Signal am Messpunkt M2 darstellt. Zum Zeitpunkt t0 beginnt die Erregung der Spule 1 des Magnetventils mit erhöhter Anzugsspannung. Der Strom steigt zeitlich an, bis etwa zum Zeitpunkt t1 die Ankerbewegung beginnt (vgl. den Pfeil an der Kurve M2), die durch einen deutlichen Einbruch des Stromes erkennbar ist. Zum Zeitpunkt t2 hat der Anker seine Bewegung vollendet und der Strom steigt wieder nach einer im wesentlichen logarithmischen Funktion an. Zum Zeitpunkt t3 wird dann die Erregung der Spule 1 auf die Haltespannung reduziert, was bei der pulsweiten-modulierten Ansteuerung durch Änderung des Impuls-/Pause-Verhältnisses erfolgt.

Der Mikroprozessor 4 wertet den zeitlichen Verlauf der Kurve M2 aus und erkennt den signifikanten Einbruch des Stromes.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem der 1 zum einen dadurch unterscheidet, dass der Shunt-Widerstand R1 fortgelassen ist. Zur Messung des Stromes durch die Spule 1 wird dort der Drain-/Source-Widerstand des Transistors T1 im eingeschalteten Zustand verwendet. Der dort vorliegende Spannungsabfall wird wiederum über den Widerstand R2 abgegriffen und dem Verstärker V1 zugeführt.

Am Ausgang des Widerstandes R5 ist eine Sample- & Hold-Schaltung bestehend aus einem Kondensator C2 und einem Widerstand R6 angeschlossen, die über einen Schalter S1, der beispielsweise ein Transistor sein kann, angesteuert wird und zwar taktgleich mit dem Transistor T1, was durch die Leitung 6 angedeutet ist.

Der Ausgang der Sample- & Hold-Schaltung C2/R6 bildet wiederum den Messpunkt M2, dessen Signal der Auswerteschaltung 2 zugeführt wird. Die Sample- & Hold-Schaltung C2/R6 ist hier notwendig, da der Transistor T1 nur im eingeschalteten Zustand als Messwiderstand genutzt werden kann und gleichzeitig den Schalter S1 steuert, der synchron mit dem Transistor T1 eingeschaltet ist. Will man am Messpunkt M2 ein kontinuierliches Signal auch bei geöffnetem Schalter S1 haben, so wird dieses von der Sample & Hold-Schaltung bereitgestellt.

Da generell nur eine qualitative und nicht eine quantitative Messung des durch die Magnetspule 1 fließenden Stromes erforderlich ist, können im Ausführungsbeispiel der 1 die Bauteile R5, D2 und C1 auch fortgelassen werden. Deren Aufgaben können von dem Controller 2 übernommen werden.

Der Vorteil des Ausführungsbeispieles der 2 liegt darin, dass der Shunt-Widerstand R1 fortgelassen werden kann. Dieser muss nämlich an den durch die Magnetspule 1 fließenden Strom angepasst sein und daher für relativ große Strombelastung ausgelegt werden. Obwohl der Drain-Source-Widerstand des Transistors T1 stark von dessen Temperatur abhängt, ist eine Temperaturkompensation des Messwertes nicht erforderlich, da für die Erkennung des Ankeranzuges die qualitative Auswertung vollkommen ausreicht.

4 zeigt einen zeitlichen Verlauf des durch die Magnetspule 1 fließenden Stromes und des Mittelwertes der pulsweitenmodulierten Spannung, die durch Takten des Transistors t1 als Erregerspannung an der Magnetspule 1 liegt. In 4 wird zum Zeitpunkt t0 die Erregung (Spannung Ua) der Spule des Magnetventils eingeschaltet und zwar mit der erhöhten Anzugsspannung Ua. Der Strom steigt nach einer logarithmischen Funktion an, bis zum Zeitpunkt t1 der Magnetanker seine Bewegung beginnt, was durch einen deutlichen Abfall des Stromes erkennbar ist. Im Zeitpunkt t2 hat der Anker vollständig angezogen und der Strom steigt wieder nach einer logarithmischen Funktion bei angelegter Anzugsspannung, bis zum Zeitpunkt t3 auf die niedrigere Haltespannung Uh umgeschaltet wird, worauf der Strom ab dem Zeitpunkt t3 bis auf einen Haltestrom ih abfällt.

In 5 wird der Magnetanker durch die Haltespannung Uh bzw. den Haltestrom ih in der angezogenen Stellung gehalten. Zum Zeitpunkt t1 beginnt der Anker eine ungewollte Abfallbewegung, was durch einen deutlichen Stromanstieg erkennbar ist. Zum Zeitpunkt t2 ist der Anker weitestgehend abgefallen und es fließt wiederum der Haltestrom ih, der für ein erneutes Anziehen des Ankers aber nicht ausreicht. Es wird deshalb zum Zeitpunkt t3 ein Refresh-Puls mit der erhöhten Anzugsspannung Ua angelegt, was zu einem erneuten Anziehen des Ankers zum Zeitpunkt t4 führt, was wiederum durch den Stromabfall im Zeitraum t4 bis t5 erkannt wird. Zum Zeitpunkt t6 wird wieder auf die niedrigere Haltespannung Uh umgeschaltet und der Strom fällt auf den Haltestrom ih ab.

Für das Erkennen des Anzuges des Ankers gelten somit folgende Kriterien:

Wird bei angelegter Anzugsspannung Uh ein Absinken des Stromes festgestellt, so ist dies ein Kriterium für ein Anziehen des Ankers. Um Störungen auszublenden, wird das Anziehen des Ankers dann signalisiert, wenn die Differenz der gemessenen Ströme zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt negativ ist und der Absolutbetrag dieser Differenz einen vorbestimmten Schwellwert überschritten hat, wobei die entsprechenden Stromwerte zu Zeitpunkten gemessen werden, deren zeitlicher Abstand vorgegeben ist.

In ähnlicher Weise wird bei angelegter Haltespannung Uh ein ungewolltes Abfallen des Ankers dadurch erkannt, dass die Differenz der aufeinanderfolgend gemessenen Stromwerte positiv ist und ihr Absolutbetrag über einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Die Grenzwerte und die zeitlichen Abstände hängen von dem jeweiligen Magneten, der Versorgungsspannung und der Dimensionierung der jeweiligen Bauteile ab. Durch entsprechende Festlegung der Grenzwerte können auch Temperaturfehler des Transistors t1 und der sonstigen Bauelemente kompensiert werden.

Eine andere Art der Auswertung kann dadurch erfolgen, dass das gemessene Signal des Stromverlaufes zeitlich differenziert wird und dann an dem differenzierten Signal Vorzeichen und Betrag ausgewertet werden in Abhängigkeit von der jeweils angelegten Spannung Ua oder Uh.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Erkennen des Schaltens eines Magnetankers, dessen Magnetspule mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, kennzeichnet durch Messen des elektrischen Stromes durch die Magnetspule (1) und Auswerten des zeitlichen Verlaufes des Stromes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Magnetspule in einem ersten Zeitintervall mit einer erhöhten Anzugsspannung (Ua) und in einem zweiten darauffolgenden Zeitintervall mit einer demgegenüber niedrigeren Haltespannung (Uh) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei angelegter Anzugsspannung (Ua) dann ein Schalten des Magnetankers erkannt wird, wenn der Strom innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer um einen vorgegebenen Wert absinkt, worauf auf die Haltespannung (Uh) umgeschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei angelegter Haltespannung (Uh) dann ein Abfallen des Magnetankers erkannt wird, wenn der Strom innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer um einen vorgegebenen Wert ansteigt, worauf auf eine erhöhte Anzugsspannung (Ua) umgeschaltet wird, bis der Magnetanker wieder angezogen hat.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule mit einer pulsweiten-modulierten Spannung angesteuert wird und dass die Anzugsspannung (Ua) und die Haltespannung (Uh) durch Änderung der Pulsweite eingestellt werden.
  5. Schaltungsanordnung zum Erkennen des Schaltens eines Magnetankers, dessen Magnetspule (1) über einen Schalter (T1) angesteuert wird, gekennzeichnet durch eine Messschaltung (V1), die den durch die Magnetspule (1) fließenden Strom misst und durch eine Auswerteschaltung (2), die den zeitlichen Verlauf des durch die Magnetspule (1) fließenden Stromes (i) auswertet.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung einen in Reihe mit der Magnetspule (1) und dem Schalter (T1) liegenden Shunt-Widerstand (R1) enthält, dessen Spannungsabfall dem zu messenden Strom proportional ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Transistor (T1) ist und dass die Messschaltung (V1) am Verbindungspunkt zwischen dem Transistor (T1) und der Magnetspule (1) angeschlossen ist, wobei der Spannungsabfall am Drain-/Source-Widerstand des Transistors (T1) nur in dessen durchgeschaltetem Zustand als Messwiderstand für den Strom durch die Magnetspule (1) dient.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (V1) ein über einen Widerstand (R4) rückgekoppelter Verstärker (V1) ist, dessen Ausgang ein RC-Glied (R5, C1; R6, C2) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang der Ausgang der Messschaltung ist.
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (R5, C1) als Tiefpaßfilter ausgelegt ist.
  10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (R6, C2) in Verbindung mit einem Schalter (S1) als Sample- & Hold-Schaltung ausgelegt ist und dass der Schalter (S1) synchron mit dem Transistor (T1) geschaltet wird.
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