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Dokumentenidentifikation DE102006009628A1 06.09.2007
Titel Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebs
Anmelder Hehl, Karl, 72290 Loßburg, DE
Erfinder Hehl, Karl, 72290 Loßburg, DE
Vertreter Patentanwälte Reinhardt & Pohlmann Partnerschaft, 75172 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 02.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006009628
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20060302, B, H, DE
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebes ist eine Schaltungseinrichtung vorgesehen, die einen Eingang (80.2) zum Anschluss an eine Versorgungsspannung (UV), einen Eingang (80.3) zum Anschluss an GND, zwei Ausgänge (80.4, 80.5) zum Anschluss einer Last (100), mindestens ein Schaltelement (10) zur Unterbrechung der Stromversorgung und eine Einrichtung (20) zur Erfassung des Stroms aufweist. Ein Steuerelement (60) dient zur Messung von Strom und Versorgungsspannung sowie zur Steuerung des wenigstens einen Schaltelements (10). Dadurch, dass das Steuerelement (60) anhand von Strom und der Höhe der Versorgungsspannung die Impedanz der Last des Stellantriebes errechnet und die zum Betrieb des Stellantriebs notwendige Leistung bestimmt, werden Ventilspulen nach ihrer Nennspannung identifiziert und für den industriellen Einsatz nutzbar gemacht.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebs wie einer Magnetspule, insbesondere einer Magnetspule an Hydraulik- oder Pneumatikschaltventilen, vorzugsweise im Bereich von Kunststoff-Spritzgießmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Im industriellen Bereich werden traditionell hydraulische Schaltventile mit einer Versorgungsspannung von 24VDC eingesetzt. Das gleiche gilt für die Pneumatik im industriellen Einsatz. Vorgegeben durch das Bordnetz, liegen die Versorgungsspannungen von Schaltventilen im mobilen Bereich meist bei 12VDC. Das Spektrum an Ventilen und deren Schaltlogik ist jedoch vergleichbar.

Aus der DE 40 31 427 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die mit Hilfe von pulsweitenmodulierter Versorgungsspannung einen energiereduzierten Betrieb mit nachgeregelter Leistungsanpassung eines elektromagnetischen Stellgliedes erlaubt. Dieses Verfahren reduziert zyklisch die Leistung auf eine Minimalleistung (P0) und kann somit an die Grenze des Haltemomentes des Stellgliedes gelangen. Dazu werden Spulenstrom und Spulenspannung gemessen und die Leistung in der Spule wird kontinuierlich oder in festgelegten Stufen reduziert, bis sich der Aktor bewegt, d.h. die Gegeninduktion in der Spule durch den Spulenstrom erkannt wird. Diese Leistung P0 wird mit einen Offset versehen und als Minimalleistung an die Spule abgegeben. Das Verfahren ist unabhängig von der angeschlossenen Last, wobei bei kleinen induktiven Lasten das Erkennen der Aktorbewegung wegen der geringen Gegeninduktion durch Spulenstrom und -spannung schwierig ist. Zudem besteht die Gefahr, dass sich in kritischen Anwendungen unter hoher Last oder bei spontan einwirkenden Störgrößen, sich die Last zumindest teilweise aus dem angestrebten Zustand heraus bewegt.

Aus der DE 39 10 810 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der mit einer einstellbarer Pulsweitenmodulation (PWM) ein leistungsreduzierte Betrieb von elektromagnetischen Stellgliedern realisiert wird.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Ventilspulen nach ihrer Nennspannung zu identifizieren und diese für den industriellen Einsatz nutzbar zu machen.

Dies Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellglieds mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

An Hand der Strom- und Spannung-Charakteristik beim Anlegen der Versorgungsspannung an den Stellantrieb kann die Impedanz berechnet werden und daraus auf den Stellantrieb geschlossen werde, der dann entsprechend betrieben wird. Vorzugsweise ist die Versorgungsspannung wenigstens so hoch wie die Nennspannung des Stellantriebs.

Bedarfsweise lassen sich Ventilspulen verschiedener Nennspannungen identifizieren und für den industriellen Einsatz an verschiedenen Versorgungsspannungen nutzbar machen. Über eine Anpassung der Einschaltdauer innerhalb einer vorzugsweise verwendeten pulsweitenmodulierten Versorgung können die elektromagnetischen Stellglieder für einen weiten Bereich verschiedener Versorgungsspannungen nutzbar gemacht werden. Die Höhe der Versorgungsspannung ist im wesentlich nur von der zulässigen Isolationsspannung der Spule begrenzt. Im Betrieb werden Schwankungen der Versorgungsspannung durch Anpassung der Einschaltdauer ausgeglichen, sodass der mittlere Spulenstrom konstant bleibt.

Im Einschaltmoment steigt der Strom in der angeschlossenen induktiven Last in einer e-Funktion an. Mit der Bewegung des Stellantriebes, d.h., der Auslenkung des Stellgliedes von der Ruhelage in die aktive Endlage kommt es zu einer kurzfristigen Unterbrechung des Stromanstiegs, welche zur Funktionsüberwachung ausgewertet werden kann.

Durch eine zeitlich begrenzte Übererregung, d.h. Betrieb mit einer Leistung, welche deutlich über der Nennleistung des elektromagnetische Stellantriebes liegt, werden Streuungen der Einschaltdauer über verschiedene Stellantriebe einer Serie und/oder verschiedene Arbeitspunkte (für Ventile z.B. Druck, Durchflussmenge, Temperatur, Viskosität des Mediums) minimiert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung,

2 ein Schaltbild einer Schaltung in einer gegenüber 1 konkretisierten Ausführungsform,

3-5 Diagramme von Spannung und Strom über der Zeit an verschiedenen Ventilspulen als Last.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung oder die erläuterte Vorgehensweise im Rahmen des Verfahrens beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.

Das im Folgenden beschriebene Verfahren wird vorzugsweise an Stellgliedern von Ventilen an einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung plastifizierbarer Materialien, insbesondere an einer Kunststoff-Spritzgießmaschine verwendet.

In der Ansteuerschaltung 80 gemäß 1 wird über wenigstens ein Schaltelement 10 eine Versorgungsspannung UV über die Ausgänge 80.4, 80.5 an eine angeschlossene Last 100 angelegt. Die Schaltung ist über Eingang 80.2 an der Versorgungsspannung UV und über Eingang 80.3 an GND angeschlossen. Das Schaltelement 10 wird über ein Steuerelement 60 über Anschlüsse 60.2 ein- bzw. ausgeschaltet. Zusätzlich zum Schaltelement 10 ist ein Stromsensor 20 vorgesehen.

Ist das Schaltelement 10 geschlossen, fließt Strom vom Versorgungspin 80.2 über Stromsensor 20, Schaltelement 10 und über die angeschlossene Last 100 nach GND. Das elektromagnetische Stellglied schaltet ein. Der dabei fließende Strom wird dem Steuerelement 60 vom Stromsensor 20 als Information zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird die Höhe der Versorgungsspannung UV gemessen. Aus den beiden Informationen Strom (hier Spulenstrom) und Spannung (hier Versorgungsspannung) wird die Impedanz der Last 100 errechnet. Die Einrichtung zur Erfassung von Strom und Versorgungsspannung kann im Steuerelement 60 integriert oder extern vorhanden sein. Der Stromsensor 20 kann auch im Schaltelement 10 integriert sein.

Die Entscheidung, mit welcher Leistung die Last (Spule des elektromagnetischen Stellgliedes) betrieben werden muss, wird im Steuerelement 60 anhand der berechneten Impedanz festgelegt.

Erkennt das Steuerelement 60 als Last eine Spule niedrigerer Nennspannung, wird das Schaltelement 10 vom Steuerelement 60 im Taktbetrieb geschaltet und somit über eine pulsweitenmodulierte Spannung die Leistung an die Last der Spule angepasst. Die Einschaltdauer innerhalb des Taktbetriebes ist auch abhängig von der angelegten Versorgungsspannung UV. Mit steigender Versorgungsspannung wird die Einschaltdauer reduziert und umgekehrt. Durch diese Anpassung wird der mittlere Spulenstrom auch bei variabler Versorgungsspannung UV konstant gehalten.

Dem Steuerelement ist eine Vielzahl verschiedener induktiver Lasten unterschiedlicher Nennspannung bekannt. Die Erkennung der jeweiligen Last erfolgt über die Impedanz der Last. Die Schaltfrequenz der Pulsweitenmoduiation (PWM) ist so hoch gewählt, dass die induktive Last wie die Speicherdrossel eines Schaltreglers wirkt. An der Ventilspule stellt sich ein "quasi" DC Strom mit geringer Restwelligkeit ein. Spulenstrom und Versorgungsspannung werden vorzugsweise in jedem Takt gemessen. Die Versorgungsspannung UV muss mindestens so hoch sein, wie die Nennspannung der angeschlossenen Last. Überschreitet die Versorgungsspannung die Nennspannung der Last, so wird dynamisch in den Taktbetrieb gewechselt (und wieder zurück). Die dem Stellglied bekannten Lasten können somit deutlich über Nennspannung betrieben werden (begrenzt nur durch die Isolationsfestigkeit der Isolierung des Spulendrahtes). Die PWM wird dynamisch der Versorgungsspannung angepasst. Somit können mit einer Spannungsquelle Lasten verschiedenster Nennspannung betrieben werden.

Anhand des Spulenstromes kann das Schalten der Last erkannt werden und somit Ventilklemmer, z.B. durch Fremdkörper, detektiert werden. Die Überwachung des Spulenstromes kann als Kurzschlusserkennung genutzt werden, als elektronische Sicherung. Dies erhöht die Kurzschlusssicherheit des Stellantriebs an sich

Die Schaltungseinrichtung kann einen zusätzlichen Steuereingang 80.1 aufweisen, durch den das Ein- und Ausschalten der Schaltung an sich gesteuert werden kann

In der Ausführungsform der 2 sind in der Ansteuerschaltung 80 zwei Schaltelemente 10, 30 vorgesehen. Beide Schaltelemente, die hier als MOSFET Schalter, logisch als Schließer ausgeführt sind, werden über Steuerelement 60 über Anschlüsse 60.2, 60.3 ein- bzw. ausgeschaltet. Im Schaltungsbeispiel ist zusätzlich zum Schaltelement 10 ein Stromsensor 20 (hier z.B. ein Shunt Widerstand) vorgesehen. Mit 70 ist ein internes Löschglied gekennzeichnet.

Sind beide Schaltelemente 10, 30 geschlossen, fließt Strom vom Eingang 80.2 über Schaltelement 10, Stromsensor 20, über die angeschlossene Last 100 und über Schaltelement 30 nach GND. Das elektromagnetische Stellglied schaltet ein. Der dabei fließende Strom wird dem Steuerelement 60 vom Stromsensor 20 über den A/D-Wandler 40 dem Steuerelement 60 am Eingang 60.5 als Information zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird die Höhe der Versorgungsspannung gemessen und über den A/D-Wandler 50 zur Spannungsmessung dem Steuerelement 60 am Eingang 60.4 zur Verfügung gestellt. Aus den beiden Informationen Strom und Spannung wird wie im ersten Ausführungsbeispiel die Impedanz der Last 100 errechnet.

Die Schaltung arbeitet wie folgt. Gemäß 3 liegt zum Zeitpunkt tEIN1 ein digitales Steuersignal am Eingang 60.1 des Steuerelementes an. Das Steuerelement schließt zeitgleich beide Schaltelemente 10, 30. Somit liegt die Spannung ULAST (UV – Verluste an den Schaltelementen 10, 30 sowie am Stromsensor 20) an der angeschlossenen Last 100 (Ventilspule). Der Spulenstrom ILAST steigt in einer e-Funktion bis zum Zeitpunkt t1. Durch die Bewegung des Stellglieds des Stellantriebes aus der Ruhelage in Richtung aktive Endlage kommt es zu einer kurzfristigen Unterbrechung des Stromanstiegs, bis zum Zeitpunkt t2 das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t3 den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t3 identifiziert das Steuerelement anhand des Spulenstrom und der Versorgungsspannung die Nennleistung der angeschlossenen Last 100. Im Beispiel der 3 ist keine Leistungsanpassung mittels PWM erforderlich. Zudem kann der im Einschaltmoment zum Zeitpunkt t2 auftretende Wendepunkt im Anstieg des Stromes zur Funktionsüberwachung des Stellantriebes genutzt werden, da dieser Wendepunkt als Folge der Bewegung des Stellglieds auftritt. Meist ist die Kurve des Stroms über die Zeit an dieser Stelle nicht monoton steigend oder ggf. sogar unstetig

Ist als Last gemäß 4 eine Spule niedrigerer Nennspannung angeschlossen, wird, nachdem der Stellantrieb sicher in Endlage ist, in den Taktbetrieb umgeschaltet. Der Strom und somit die wirksame Leistung über die Spule wird auf den Nennwert des Bauelementes reduziert, um eine thermische Zerstörung der Spule zu verhindern. In diesem Fall liegt zum Zeitpunkt tEIN2 ein digitales Steuersignal am Eingang 60.1 des Steuerelementes an. Das Steuerelement schließt zeitgleich beide Schaltelemente 10, 30. Somit liegt die Spannung ULAST an der angeschlossenen Last 100. Der Spulenstrom ILAST steigt in einer e-Funktion bis zum Zeitpunkt t4. Durch die Bewegung des Stellglieds des Stellantriebes aus der Ruhelage in Richtung aktive Endlage kommt es auch hier zu einer kurzfristigen Unterbrechung des Stromanstiegs, bis zum Zeitpunkt t5 das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t6 den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t6 identifiziert das Steuerelement anhand des Spulenstrom und der Versorgungsspannung die Nennleistung der angeschlossenen Last 100 und taktet wenigstens eines der Schaltelemente 10, 30 zu den Zeitpunkten t7, t8. dadurch verringert sich bei getakteter Spannung ULAST der Spulenstrom ILAST.

Reduziert sich während des Betriebs die Versorgungsspannung, wird die Einschaltdauer wie in 5 zum Zeitpunkt t9 dargestellt entsprechend vergrößert und der Spulenstrom bleibt konstant, d.h., bei getakteter Spannung gilt für den Strom ILAST im ausgeregelten Zustand unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung UV: ∫I(t)dt = const.

Durch die Übererregung des elektromagnetischen Stellantriebes werden die Streuungen der Einschaltdauer über verschiedene Geräte einer Serie und/oder verschiedene Arbeitspunkte minimiert.

10, 30
Schaltelement
20
Stromsensor
40
A/D-Wandler zur Strommessung
50
A/D-Wandler zur Spannungsmessung
60
Steuerelement
60.1,60.4,60.5
Eingang
60.2,60.3
Anschlüsse
70
internes Löschglied
80
Ansteuerschaltung
80.1
Steuereingang
80.2,80.3
Eingang
80.4,80.5
Ausgang
100
Last
tEIN1
Zeitpunkt
t1, t2, .., t10
Zeitpunkt
ILAST
Spulenstrom
ULAST
Spannungssignal
UV
Versorgungsspannung


Anspruch[de]
Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebes mit einer Schaltungseinrichtung, welche aufweist:

– einen Eingang (80.2) zum Anschluss an eine Versorgungsspannung (UV),

– einen Eingang (80.3) zum Anschluss an GND,

– zwei Ausgänge (80.4, 80.5) zum Anschluss einer Last (100),

– mindestens ein Schaltelement (10, 30) zur Unterbrechung der Stromversorgung,

– eine Einrichtung (20) zur Erfassung des Stroms,

– ein Steuerelement (60) zur Messung von Strom und Versorgungsspannung sowie zur Steuerung des wenigstens einen Schaltelements (10, 30),

dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (60) anhand von Strom und der Höhe der Versorgungsspannung die Impedanz der Last des Stellantriebes errechnet und die zum Betrieb des Stellantriebs notwendige Leistung bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des wenigstens einen Schaltelements (10, 30) unter Pulsweitenmodulation erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des wenigstens einen Schaltelements (10, 30) eine pulsweitenmodulierte Spannung zur Anpassung der Leistung an die bestimmte Leistung im angeschlossenen elektromagnetischen Stellantrieb erzeugt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtung einen zusätzlichen Steuereingang (80.1) besitzt, durch den das Ein- und Ausschalten der Schaltungseinrichtung gesteuert werden kann Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zur Erfassung von Strom und Versorgungsspannung im Steuerelement (60) integriert oder extern vorhanden ist Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zur Erfassung des Stroms im Schaltelement (10) integriert ist Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des von mindestens einem der Schaltelemente (10, 30) erzeugten, getakteten Spannungssignal (ULAST) von der Höhe der Versorgungsspannung (UV) abhängt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei getakteter Spannung für den Strom (ILAST) im ausgeregelten Zustand unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung (UV) gilt: ∫I(t)dt = const. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einschaltmoment (t2, t5) der wenigstens eine Wendepunkt im Anstieg des Stromes zur Funktionsüberwachung des Stellantriebes genutzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerelement (60) eine Vielzahl verschiedener induktiver Lasten unterschiedlicher Nennspannung bekannt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation so hoch gewählt ist, dass die induktive Last wie die Speicherdrossel eines Schaltreglers wirkt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenstrom und Versorgungsspannung vorzugsweise in jedem Takt gemessen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (UV) größer gleich der Nennspannung (ULAST) der Last (100) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung plastifizierbarer Materialien, insbesondere an einer Kunststoff-Spritzgießmaschine verwendet wird.






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