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Verfahren zum Betrieb einer Ansteuerschaltung zur Betätigung eines Ventils, sowie Ansteuerschaltung selbst - Dokument DE102004058159A1
 
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Dokumentenidentifikation DE102004058159A1 22.06.2006
Titel Verfahren zum Betrieb einer Ansteuerschaltung zur Betätigung eines Ventils, sowie Ansteuerschaltung selbst
Anmelder Bosch Rexroth AG, 71701 Schwieberdingen, DE
Erfinder Gödert, Heinz, 71642 Ludwigsburg, DE
Vertreter Maiwald Patentanwalts GmbH, 40221 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 02.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058159
Offenlegungstag 22.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ansteuerschaltung zur Betätigung eines Ventils sowie eine Ansteuerschaltung selbst, bei welchem zur Betätigung ein kurzzeitiger Anzugstrom und danach ein kleinerer Haltestrom generiert wird, sowie eine Aktoreinrichtung selbst, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 5.
Um hierbei zu erreichen, dass sich einerseits eine schalttechnisch einfache bedarfsabhängige Regelung des Einschaltstromes ergibt, aber gleichzeitig die thermische Verlustleistung derart minimiert wird, dass eine bauliche Kompaktheit ohne thermische Störeinflüsse gegeben ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Strom zum elektromagnetischen Aktor direkt, d. h. schaltungstechnisch aktiv in Serie zum Elektromagneten geregelt und die Beeinflussung der Regelung selbst schaltungstechnisch parallel zum Elektromagneten vorgenommen wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ansteuerschaltung, insbesondere zur Betätigung eines Ventils, sowie eine Ansteuerschaltung selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.

Elektromagnetische Aktoren sind in Ventilantrieben aber auch in Stellgliedern anderer Art enthalten. Durch die zunehmende Miniaturisierung und die Blockkonstruktion, d.h. den verblockten Aufbau der Magnetventile, werden die Leistungsdichten in den zur Verfügung stehenden Bauräumen immer größer. Dies führt wegen der insofern schlechten Wärmeabfuhr nach außen zu thermischen Problemen. Insbesondere die Vorsteuerventile können einer funktionskritischer Aufheizung unterliegen, was zum Durchbrennen der elektrischen Spule führen kann.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung dieses Problems besteht darin, pneumatische Vorsteuerstufen als zusätzliche Verstärkerstufen vorzusehen. Dies wiederum erhöht aber den benötigten Bauraum. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verringerung der Verlustleistung des elektromagnetischen Aktors ist aus Aufwandsgründen ebenfalls praktisch nicht sinnvoll.

Um elektromagnetische Ventile zu betätigen, benötigen die Antriebe in der Einschaltphase hohe Ströme, während im betätigten Zustand der Strombedarf zum Halten der Schaltstellung deutlich reduziert ist. Aufgrund der hyperbolischen Charakteristik der Magnetkraft-Hub-Kennlinie ist in der Einschaltphase die am Anker wirksame Magnetkraft bei großem Arbeitsluftspalt vergleichsweise gering. Um den Magnetanker aus seiner Ruhelage heraus gegen die Federkraft zu bewegen, muss die Magnetspule voll bestromt werden, um das maximale Kraftpotential zu nutzen. In der betätigten Schaltstellung ist der Arbeitsluftspalt minimal, so dass sich bei unverändertem Magnetstrom eine recht hohe Kraftreserve ergibt. Die Bestromung kann im geschalteten Zustand deutlich reduziert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Anker wieder abfällt.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansteuerungen bekannt.

So ist aus der DE 196 38 260 C2 bekannt, eine Parallelschaltung von Halbleiterschalter und ohm'schem Widerstand vorzusehen. In der ersten Phase des Einschaltzyklus wird der ohm'sche Widerstand durch Schließung des Halbleiterschalters gebrückt, d.h. die volle Versorgungsspannung abzüglich der Restspannung am durchgeschalteten Halbleiterschalter liegen an der Magnetspule an. Dies bewirkt einen maximalen Anzugstrom. Nach einem durch eine Zeitstufe definierten Zeitintervall wird der Halbleiterschalter geöffnet und dadurch der parallel geschaltete Widerstand als Strombegrenzung wirksam.

Aus der JP 09217855 ist eine ähnliche Einrichtung bekannt, wobei anstatt des parallel geschalteten Widerstandes eine Z-Diode als das den Haltestrom begrenzende Element eingesetzt wird.

Beide genannten Ausführungen haben den Nachteil, dass der auf diese Weise eingestellte Haltestrom sich bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen stark ändert. Eine der Versorgungsspannung überlagerte Restwelligkeit wirkt sich voll auf den Haltestrom aus.

Eine weitere Bauform ist aus der EP 0 901 057 A2 bekannt, welche als getaktete Ansteuerschaltung arbeitet. Der Haltestrom wird dadurch eingestellt, dass in der zweiten Phase des Einschaltzyklus der Spulenstrom über einen Halbleiterschalter getaktet wird. Die Induktivität der Spule integriert die Stromimpulse, so dass auf diese Weise ein definierter Haltestrom eingestellt werden kann. Der Unterschied zu den beiden anderen bekannten Ausführungen besteht darin, dass nach der ersten Einschaltphase eine getaktete Stromregelung den Haltestrom bestimmt. Dabei wird im Halbleiterelement nur eine relativ geringe Verlustleistung erzeugt, weil dieses im verlustarmen Schaltbetrieb arbeitet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass einerseits eine schalttechnisch einfache bedarfsabhängige Steuerung realisiert wird, aber gleichzeitig die thermische Verlustleistung derart minimiert wird, dass eine bauliche Kompaktheit ohne thermische Störeinflüsse erzielbar ist.

Die gestellte Aufgabe ist hinsichtlich eines Verfahrens der gattungsgemäßen An erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen An ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kern des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens ist, dass der Strom zum elektromagnetischen Aktor in der Haltestromphase direkt, d.h. schaltungstechnisch aktiv in Reihe zum Elektromagneten, linear geregelt und die Beeinflussung der Regelung selbst schaltungstechnisch parallel zum Elektromagneten vorgenommen wird.

Damit ist gegenüber den eingangs im Stand der Technik beschriebenen Einrichtungen der feste ohm'schen Widerstand im Prinzip durch einen Transistor im Linearbetrieb ersetzt, der somit einen variablen Widerstand darstellt. Die Regelung erfolgt linear, und nicht im Schaltbetrieb wie im Stand der Technik. Es wird so erreicht, dass nicht nur eine minimale Anzahl von Bauteilen benötigt wird, sondern dass auch nicht unnötig Wärme erzeugt wird. Dies wiederum begünstigt die gewollte Miniaturisierbarkeit, ohne dass dabei thermische Probleme entstehen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass in der ersten Einschaltphase die anliegende Schaltspannung direkt auf die Magnetspule durchschaltet.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass über eine Referenzspannungsquelle der Wert des Haltestromes definiert wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass über eine Zeitstufe der Zeitpunkt zur Umschaltung auf reduzierten Haltestrom definiert wird. Hierüber kann über entsprechende Bemessung der Bauteile des RC-Gliedes die Zeit ggf. variabel, d.h. einstellbar gehalten werden.

Bezüglich der Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, zur linearen Generierung des Ansteuerstromes direkt in Reihe zur elektromagnetischen Magnetspule ein Stellglied in Form eines Transistors geschaltet ist, der in der Anzugphase des Aktors durchgeschaltet ist, und den parallel zu der Reihenschaltung angeordnete Signalverarbeitungsmittel in der nachfolgenden Haltephase derart ansteuern, dass sich an der elektromagnetischen Magnetspule eine lineare Spannungsregelung ergibt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Signalverarbeitung der Regelung aus einer Referenzspannungsquelle, einer Zeitstufe und einem Schwellwertschalter besteht. Damit ergibt sich ein nur minimaler Bauaufwand.

Im weiteren ist angegeben, dass über die Referenzspannungsquelle mit Hilfe einer Reihenschaltung aus Widerstand und Zehner-Diode der Haltestrom definierbar ist.

Die Zeitstufe wird baulich mit Hilfe eines RC-Gliedes realisiert und der Zeitpunkt zur Umschaltung zwischen Anzugstrom und Haltestrom ist damit definierbar.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass über einen Schwellwertschalter aus einem Transistorschalter mit Entkopplungsdiode der Ausgang der Zeitstufe auswertbar ist, derart, dass nach Erreichen eines bestimmten Spannungspegels dieser aus dem geschalteten in den gesperrten Zustand übergeht. Der bauliche Aufwand zur Realisierung ist auch hier minimal.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Eingangsspannung und des hierzu korrespondierenden Stromflusses über die Zeit, und

2 eine Schaltungsanordnung hierzu.

In einem Ausgestaltungsbeispiel wird eine Schaltung beschrieben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet und die erfindungsgemäßen Einrichtungsmittel hierfür aufweist. Die Schaltung reduziert den Haltestrom an Magnetventilen mit geringer elektrischer Leistungsaufnahme auf einen exakt definierten Level, und dies mit minimalem baulichen Aufwand.

In Reihe zur Magnetspule ist ein Transistor geschaltet, der als Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor ausgestaltet ist.

Dieser wird so angesteuert, dass die Spule in der 1. Phase des Einschaltzyklus mit der vollen Versorgungsspannung beaufschlagt wird und in der 2. Phase auf eine deutlich niedrigere Spannung runtergeregelt wird. Es stellt sich ein Haltestrom ein, der unabhängig vom Level der Versorgungsspannung ist. Eine Restwelligkeit, die häufig den Steuersignalen überlagert ist, wirkt sich aufgrund der Spannungsregelung nicht auf den Haltestrom aus.

In der oben bereits zitierten EP 0 901 057 A2 wird ähnlich wie bei der hier vorgeschlagenen Lösung ein Halbleiterelement in Reihe zur Magnetspule geschaltet. Das Halbleiterelement im beschriebenen Stand der Technik arbeitet jedoch im Schaltbetrieb, während bei der hier erfindungsgemäßen Lösung der Transistor linear angesteuert wird. Da die hier vorgeschlagene Lösung schwerpunktmäßig bei Schaltventilen kleiner Leistung, d.h. kleiner als 5 Watt eingesetzt werden soll, ist die Wärmeentwicklung am Transistor beherrschbar.

Gegenüber dem zitierten Stand der Technik ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der entscheidende Vorteil, des deutlich reduzierten Bauteilaufwandes, was sich konkret als Kostenvorteil auswirkt. Außerdem ist die EMV-Problematik bei getaktetem Betrieb deutlich höher als im Linearbetrieb.

1 zeigt daher den gesamten Einschaltzyklus. Es ist der Zeitverlauf des von der externen Steuerung kommenden Schaltsignals (in und des sich von der Ansteuerschaltung generierten Spulenstroms (I) bei blockiertem Magnetanker dargestellt. In der Phase 1 ist der Anzug- oder Ansprechstromverlauf gezeigt und in Phase 2 der reduzierte Haltestrom. Der Haltestrom ist, wie hier deutlich zu erkennen ist, deutlich niedriger als der Anzugstrom.

Wie dieser Strom generiert wird, ergibt sich aus 2.

2 zeigt die Schaltungsanordnung zur Steuerung der beschriebenen Strategie. Zur Übersicht ist die Schaltung in Blöcke 10 bis 40 aufgeteilt. Das von der Steuerung gelieferte Schaltsignal wird an die Klemmen der Schaltung für die Haltestromabsenkung angelegt und dient als Versorgungsspannung sowohl für das Stellglied im Block 40, als auch für die Signalverarbeitung gemäß Block 10, 20 und 30.

Die Schaltung selbst besteht aus einem Bipolartransistor, der als Stellglied in Block 40 in Reihe zur Magnetspule geschaltet ist und der Signalverarbeitung in Block 10, 20, 30, die parallel zu dieser Reihenschaltung angeordnet ist.

Die Signalverarbeitung setzt sich aus drei Teilen zusammen. Zum einen ist dort die Referenzspannungsquelle in Block 10, die Zeitstufe in Block 20 und der Schwellwertschalter in Block 30.

Die Zeitstufe wird durch ein RC-Glied gebildet, d.h. aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht. Die Referenzspannung wird durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Z-Diode gebildet. Der Schwellwertschalter besteht aus einem Transistorschalter und einer Entkopplungsdiode.

Der Schwellwertschalter wird durch den Ausgang der Zeitstufe angesteuert. Ein Transistor 7 geht nach Erreichen eines bestimmten Spannungspegels aus dem geschalteten in den gesperrten Zustand über. Dieser Umschaltvorgang markiert den Übergang vom Ansprechstrom in der ersten Phase, in den Haltestrom in der zweiten Phase.

In der ersten Phase wird die Zeitstufe in Block 20 durch die Anstiegsflanke des Schaltsignals der Steuerung getriggert. Der Kondensator 4 wird über den Widerstand 3 aufgeladen. Der Transistor 7 des Schwellwertschalters gemäß Block 30 ist während des Ladevorganges durchgeschaltet und verbindet die Basis des Transistors 8 des Stellgliedes mit dem Spannungspegel des Schaltsignals der Steuerung. Das Stellglied schaltet durch, so dass bis auf einen geringen Spannungsabfall am Transistor der gesamte Spannungspegel des Schaltsignals der Steuerung an der Magnetspule anliegt, und so den Anzugstrom in der ersten Phase generiert.

Am Ende des Ladevorganges des Kondensators erreicht die Ausgangsspannung der Zeitstufe im Block 20 den Level des Schaltsignals der Steuerung, so dass der Transistor 7 sperrt und der Ausgang der Referenzspannungsquelle gemäß Block 10 über die Entkopplungsdiode 6 auf die Basis des Stellgliedes in Block 40 durchgeschaltet wird. Da die Magnetspule am Emitter des Transistors 8 des Stellgliedes angeschlossen ist, wird an der Magnetspule eine Spannung eingestellt, die der Referenzspannung, abzüglich der Spannungsabfälle über die Diode 6 und die Basis-Emitterstrecke des Transistors 8 entspricht.

Die Referenzspannung muss so festgelegt werden, dass sich ein ausreichender Haltestrom ergibt, so dass das auf diese Weise angesteuerte Ventil im durchgeschalteten Zustand verbleibt. Die Dauer des Einschaltimpulses kann über die Dimensionierung des RC-Gliedes definiert werden, und muss auf die Einschaltzeiten des Magnetventils abgestimmt werden. Die sonst übliche Schutzbeschaltung an Magnetspulen zur Reduzierung der Abschaltspannungsspitzen, z. B. bei einer Zehner-Diode, kann entfallen, da diese Funktion durch die Ansteuerschaltung mit abgedeckt wird.

1Widerstand 2Z-Diode 3Widerstand 4Kondensator 5Widerstand 6Diode 7Transistor 8Transistor Blöcke: 10Referenzspannungsquelle 20Zeitstufe 30Schwellwertschalter 40Stellglied SSchalter, Schaltkontakt USpannungsquelle Rohm'scher Widerstand der Spule (Ersatzwiderstand) LInduktivität (Magnetspule) Anmerkung:

R und L bilden insgesamt schaltsymbolisch den elektromagnetischen Antrieb des Ventils und stellen insoweit ein Ersatzschaltbild dar, welches die elektrischen Anteile von Wirkwiderstand und Induktivität der Spule des Antriebes bezeichnen sollen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betrieb einer Ansteuerschaltung, insbesondere zur Betätigung einer Magnetspule als Aktor eines Ventils, zu deren Betätigung ein kurzzeitiger elektrischer Anzugstrom und danach ein kleinerer Haltestrom generiert wird,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der elektrische Strom zur Magnetspule in der Haltestromphase schaltungstechnisch aktiv in Reihe zur Magnetspule linear geregelt wird,

    und dass die Beeinflussung der Regelung selbst schaltungstechnisch parallel zum Elektromagneten vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Einschaltphase die anliegende Schaltspannung direkt auf die Magnetspule durchschaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Referenzspannungsquelle der Wert des reduzierten Haltestromes definiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Zeitstufe der Zeitpunkt zur Umschaltung auf den reduzierten Haltestrom definiert wird.
  5. Ansteuerschaltung zur Ansteuerung einer Magnetspule als Aktor eines Schaltventils mit einem Verfahren gemäß eines der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur linearen Generierung des Ansteuerstromes direkt in Reihe zur elektromagnetischen Magnetspule (L) ein Stellglied in Form eines Transistors (8) geschaltet ist, der in der Anzugphase des Aktors durchgeschaltet ist, und den parallel zu der Reihenschaltung angeordnete Signalverarbeitungsmittel in der nachfolgenden Haltephase derart ansteuern, dass sich an der elektromagnetischen Magnetspule (L) eine lineare Spannungsregelung ergibt.
  6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung der Regelung aus den Blöcken:

    Referenzspannungsquelle (10), Zeitstufe (20) und Schwellwertschalter (30) besteht.
  7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Referenzspannungsquelle (10) mit Hilfe einer Reihenschaltung aus Widerstand (1) und Zehner-Diode (2) der Haltestrom definierbar ist.
  8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zeitstufe (20) mit Hilfe eines RC-Gliedes der Zeitpunkt zur Umschaltung zwischen Anzugstrom und Haltestrom definierbar ist.
  9. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Schwellwertschalter (30) aus einem Transistorschalter (7) mit Entkopplungsdiode (6) der Ausgang der Zeitstufe auswertbar ist, derart, dass nach Erreichen eines bestimmten Spannungspegels dieser aus dem geschalteten in den gesperrten Zustand übergeht.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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