DE10020896A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers/ eines Ventils - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers/ eines VentilsInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers eines Stellantriebs beschrieben. DOLLAR A Hierzu wird der Strom in und gegebenenfalls der Spannungsabfall an einer Erregerspule ermittelt, daraus der magnetische Fluß durch die Erregerspule ermittelt und mittels eines Kennfelds, das den Zusammenhang zwischen Fluß und Position abbildet, die Wegposition bestimmt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers, der einem
elektromagnetischen Stellgerät zugeordnet ist, gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Der Stellantrieb ist einem elektromechanischen Stellgerät zugeordnet, das beispielsweise ein als
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildetes Stellglied hat. Ein derartiges
Stellgerät hat ein Gaswechselventil und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb weist zwei
Elektromagnete auf, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels eine
Ankerplatte durch Abschalten des Erregerspulenstroms an haltenden Elektromagneten und
Einschalten des Erregerspulenstroms am fangenden Elektromagneten bewegt werden kann.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers ist aus DE 198 36 769 bekannt. In
diesem Verfahren wird die Wegposition aus der zeitlichen Ableitung der Ströme durch die
Erregerspule und der Spannungsabfälle an der Erregerspule an jeweils 2 Zeitpunkten ermittelt.
Das Verfahren hat den Nachteil, dass für die genaue Ermittlung der Wegposition zeitlich stark
veränderliche Spannungsabfälle erforderlich sind. Zusätzlich basiert die Auswertemethode auf
einer Näherungsformel, die nur im Bereich großer Luftspalte (< 500 µm) genau ist und in dem
für eine Regelung des Aktuators mit geringen Auftreffgeschwindigkeiten wichtigen Bereich
kleiner Luftspalte große Ungenauigkeiten aufweist. Das Verfahren ist daher nur adaptiv
regelbar und nicht in einem geschlossenen Regelkreis ohne Adaption nur schwer realisierbar.
Zusätzlich ist für eine zufriedenstellende Auswertung eine sehr frühe Bestromung der
Erregerspule auf ein hohes Stromniveau erforderlich, die zu hohen elektrischen Verlusten
führen.
Ein weiteres Auswerteverfahren benötigt eine Messspule, wie in JP 7224624A bekannt, in
welcher die Messspule zur Auswertung der Wegposition angewandt wird. Dieses Verfahren
führt zu einem erhöhten Aufwand für Verkabelung und Kontaktierungstechnik und reduziert
zusätzlich den zur Verfügung stehenden Wickelraum für die Haupterregerspule.
Das vorgestellte Verfahren hat den Vorteil, dass nur mit einer Erregerspule je Elektromagnet
eine im Vergleich zu DE 198 36 769 genauere Auswertung der Wegposition realisiert werden
kann. Im Gegensatz zu obigen Verfahren ist nur die Auswertung des Absolutstromes
erforderlich und auf eine Erfassung der Spannungsabfälle an der Erregerspule kann
gegebenenfalls verzichtet werden. Zusätzlich kann mit dem Verfahren kontinuierlich die
Position ausgewertet werden, d. h. der Auswertezeitpunkt ist nicht so zu wählen, dass hohe
veränderliche Spannungsabfälle an der Erregerspule anliegen müssen. Zusätzlich ist bei dem
Verfahren ein niedriges Messstromniveau ausreichend, um eine genaue Wegposition zu
bestimmen. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf den elektrischen Energiebedarf
während der Bewegungsphase des Ankers von einer Anlagefläche des Elektromagneten zur
anderen Anlagefläche aus. Eine wesentliche Verbesserung kann das Verfahren im Bereich
kleiner Luftspalte erzielen, da die Wegposition in Gegensatz zu der in DE 198 36 769
beschriebenen Näherungsfunktion bei dem in der Erfindung vorgestellten Verfahren durch
Interpolation eines für den Magneten genau ermittelten Kennfeldes bzw. einer funktionalen
Abbildung des Kennfeldes ermittelt wird. Durch die höhere Genauigkeit vor allem im Bereich
kleiner Luftspalte ist eine Regelung, die die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers auf die
Anlagefläche des Elektromagneten minimieren muss, leichter zu realisieren. Eine adaptive
Regelung ist im Gegensatz zum in DE 198 36 769 beschriebenen Verfahren nicht erforderlich.
Für ein gegebenes Magnetsystem kann ein Kennlinienfeld mittels einer FEM-Methode ermittelt
werden, bei dem der Zusammenhang zwischen Strom durch die Erregerspule, magnetischer
Fluss der Erregerspule sowie dem Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche am
Magneten ermittelt werden kann. Aus dem Kennfeld kann bei bekannten magnetischen Fluss
und Strom eindeutig die Position des Ankers festgestellt werden. Der Strom wird gemessen
und der magnetische Fluss der Erregerspule wird, wie im weiteren beschrieben, berechnet.
Bekanntlich lässt sich der magnetische Fluss der Erregerspule wie folgt ermitteln:
wobei:
Φ: Magnetischer Fluss durch die Erregerspule,
N: Anzahl der Windungen der Erregerspule,
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule.
Φ: Magnetischer Fluss durch die Erregerspule,
N: Anzahl der Windungen der Erregerspule,
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule.
Die Induktionsspannung ergibt sich bekannterweise aus
Uind = USpule - URCU
oder
Uind = USpule - URCU
oder
Uind = USpule - ISpule.RSpule (G2)
Mit:
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule,
URCU: Spannungsabfall am Widerstand der Erregerspule,
USpule: Spannung an der Erregerspule,
ISpule: Strom durch die Erregerspule,
RSpule: Widerstand der Erregerspule.
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule,
URCU: Spannungsabfall am Widerstand der Erregerspule,
USpule: Spannung an der Erregerspule,
ISpule: Strom durch die Erregerspule,
RSpule: Widerstand der Erregerspule.
Der magnetische Fluss ist somit darstellbar als folgende Funktion:
Der magnetische Fluss durch die Erregerspule kann somit durch Strommessung des
Erregerspulenstroms sowie Messung des Spannungsabfalls an der Erregerspule ermittelt
werden.
Eine weitere Vereinfachung der Erfassung des magnetischen Flusses ist möglich durch
Berechnung der Erregerspulenspannung in Abhängigkeit des Betriebszustandes einer
Leistungsendstufenschaltung. In einer bekannten Leistungsendstufe, der halben H-Brücke, sind
4 verschiedene Betriebszustände möglich. Diese sind Ruhezustand (RZ),
Aufmagnetisierungszustand (AMZ), Freilauf (FL) sowie schelle Stromrückführung (SSR) mit
Energierückführung (SSR).
In dem Betriebszustand des Aufmagnetisierens (AMZ) kann der Spannungsabfall an der
Erregerspule wie folgt ermittelt werden:
mit:
Ri: Widerstände beim Aufmagnetisieren (z. B. Widerstände der MOS-Transistoren, Widerstände Verkabelung und Kontaktierung, Messwiderstände),
UV: Versorgungsspannung.
Ri: Widerstände beim Aufmagnetisieren (z. B. Widerstände der MOS-Transistoren, Widerstände Verkabelung und Kontaktierung, Messwiderstände),
UV: Versorgungsspannung.
Im Betriebszustand der Schnellen Energierückführung (SSR) entspricht die
Erregerspulenspannung der negativen Versorgerspannung, den Spannungsabfällen an beiden
Dioden, die sich im Stromkreis befinden sowie der Verlusten an Messwiderstand und
Kontaktierungs- und Verkabelungswiderständen:
mit:
Ri: Widerstände der in Schaltzustand des harten Abschaltens mit Energierückführung (Messwiderstände, Kontaktierungs- und Leitungswiderstände),
2*UD: Spannungsabfall an den beiden Dioden beim harten Abschalten.
Ri: Widerstände der in Schaltzustand des harten Abschaltens mit Energierückführung (Messwiderstände, Kontaktierungs- und Leitungswiderstände),
2*UD: Spannungsabfall an den beiden Dioden beim harten Abschalten.
Im Betriebszustand des Freilaufs wird die Erregerspulenspannung durch den Spannungsabfall
an der Freilaufdiode sowie den Verlusten am Messwiderstand und MOS-Transistor sowie der
Widerstände bestimmt. Die Erregerspulenspannung ist dann näherungsweise
mit:
Ri: Widerstände im Schaltzustand des Freilaufs (Messwiderstände, Widerstand der MOS- Transistoren),
UD: Spannungsabfall an der Diode im Freilaufkreis.
Ri: Widerstände im Schaltzustand des Freilaufs (Messwiderstände, Widerstand der MOS- Transistoren),
UD: Spannungsabfall an der Diode im Freilaufkreis.
In jedem Betriebszustand kann die Erregerspulenspannung und somit der magnetische Fluss
rechnerisch bestimmt werden. Zur Ermittlung der Wegposition ist somit lediglich eine
Erfassung des Stroms erforderlich.
Bei einer Anwendung des Verfahren bei Elektromagneten mit Wirbelströmen wird der
magnetische Fluß durch die Erregerspule aufgrund von Wirbelströmen reduziert. Die
Induktionsspannung, die den magnetischen Fluss erzeugt, muss daher um den Einfluss der
Wirbelströme korrigiert werden, damit eine genaue Berechnung des magnetischen Flusses
möglich ist. Bei Elektromagneten mit sehr geringen Wirbelstromverlusten kann der Einfluss
der Wirbelströme durch einen Faktor berücksichtigt werden.
mit:
RW: Wirbelstromwiderstand,
RErregerspule: Erregerspulenwiderstand,
Uind,korrigiert: Induktionsspannung nach Berücksichtigung von Wirbelstromeinflüssen,
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule.
RW: Wirbelstromwiderstand,
RErregerspule: Erregerspulenwiderstand,
Uind,korrigiert: Induktionsspannung nach Berücksichtigung von Wirbelstromeinflüssen,
Uind: Induktionsspannung der Erregerspule.
Für eine genaue Wirbelstromerfassung ist eine genaue Modellierung des zeitlich veränderlichen
Wirbelstromwiderstandes erforderlich. Dies ist bei Elektromagneten mit geringen
Wirbelstromverlusten vorteilhaft, bei Elektromagneten mit signifikanten Wirbelstromverlusten
unbedingt erforderlich. Bei Elektromagneten mit geringen Wirbelstromverlusten kann der
Wirbelstromwiderstand näherungsweise als konstant angesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Fig. 1 ist die Anordnung des Stehgerätes und einer Steuereinrichtung in einer
Verbrennungskraftmaschine.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen verschiedene Ausführungsformen eines elektromagnetischen
Stellgerätes, bei denen das Verfahren zur Positionsbestimmung angewandt werden kann.
Fig. 3a zeigt eine mögliche Ausführung einer Leistungsendstufe, die in einer Steuereinrichtung
Verwendung finden kann.
Fig. 3b beschreibt eine mögliche Anordnung von Strom- und Spannungsmessern innerhalb der
Leistungsendstufe, die für das Verfahren notwendigen Größen liefern.
Fig. 3c beschreibt eine alternative Ausführung einer Leistungsstufe mit Anordnung der Strom-
und Spannungsmesser, für die das Verfahren eingesetzt werden kann.
Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen Strom, magnetischen
Fluss durch die Erregerspule und Luftspalt bzw. Position des Ankers relativ zur Anlagefläche
der Elektromagneten beschreibt.
Fig. 5a-5d zeigen den zeitlich veränderlichen Stromverlauf der Erregerspulen und die Position
des Ankers.
Fig. 6a und Fig. 6b zeigen Ablaufdiagramme zum Bestimmen der Position X der Ankerplatte.
Ein elektromechanisches Stellgerät 1 (Fig. 1) umfasst ein Stellglied 9, das beispielsweise als
Gaswechselventil ausgebildet ist. Der Stellantrieb besteht aus zwei Elektromagneten 5a und
5b. An beiden Elektromagneten sind jeweils mindestens eine Erregerspule 12a, 12b
angeordnet. Ein Anker 6 ist vorgesehen, der in einer Schwenkbewegung zwischen der
Anlagefläche des oberen Elektromagneten und der Anlagefläche des unteren Elektromagneten
bewegt. Bei einer Bewegung des Ankers hin zur unteren Anlagefläche dient eine Feder 8 als
Rückstellmittel, während bei einer Bewegung hin zur oberen Anlagefläche ein Drehstab 7 als
Rückstellmittel dient. Der Anker ist in seiner Ruheposition in der Mittelstellung zwischen
oberer und unterer Anlagefläche positioniert. Die Ansteuerung des Stellgerätes erfolgt über
eine Steuereinrichtung, die aus Steuereinheit 3 und den Leistungsendstufen 2, 4 besteht. Die
Erregerspulen des Stellgerätes sind mit den Leistungsendstufen über ein Kabel 10 leitend
verbunden. In der Steuereinrichtung werden Messstellen von Strom und Spannungsabfällen
erfasst und/oder Signale von einer nicht, dargestellten übergeordneten Steuereinrichtung für
Motorbetriebsfunktionen erfasst und Stellsignale erzeugt, in deren Abhängigkeit die beiden
Erregerspulen des Stellgeräts gesteuert werden. Die Steuereinheit hat einen Regler, dessen
Regelgrößen der Strom durch die Erregerspulen I1, I2 sowie der Spannungsabfall U1,Spule,
U2,Spule an den Erregerspulen der beiden Elektromagnete sind. Der Regler liefert die
Steuersignale für die Steuerleitungen L1, L2 feit die obere Leistungsendstufe 2 sowie die
Steuersignale L1', L2' für die untere Leistungsendstufe 4, mit der die Steuereinheit mit den
Leistungsendstufen leitend verbunden sind. Da in der Erfindung ein Verfahren zur
Positionsbestimmung erläutert, wird auf die Ausgestaltung des Regler und deren Funktionalität
nicht näher eingegangen.
In Fig. 2a und Fig. 2b sind mögliche Ausführungen eines elektromechanischen Stellgerätes
dargestellt. In Fig. 2a ist ein aus DE 198 25 728 bekanntes elektromechanisches Stellgerät
dargestellt, in dem die Betätigung des Stellgliedes durch den Anker direkt erfolgt und eine
obere und untere Rückstellfeder die Rückstellkraft des Ankers erzeugen. In Fig. 2b ist aus der
Patentanmeldung PCT EP 9908755 bekanntes Stehgerät dargestellt, das dadurch
gekennzeichnet ist, das es einen im Hebel integrierter Anker aufweist. Bei dem Stellgerät
erzeugt eine Ventilrückstellfeder die eine Rückstellkraft, während ein im Ankerrohr gelagerter
Drehstab die andere Gegenkraft lieft.
Der in Fig. 3a dargestellte Aufbau einer Leistungsendstufe umfasst einen ersten Transistor TR1
und einen zweiten Transistor TR2, dessen Gate-Anschlüsse mit den Steuerleitungen L1 und L2
elektrisch leitend verbunden sind. Ferner umfasst die Leistungsendstufe eine Diode D1 und
eine Freilaufdiode D2 sowie den Messwiderstand RMess, der für die Strommessung des Stroms
durch die Erregerspule vorgesehen ist. Ein zusätzlicher Widerstand R1 dient zur Abbildung der
Widerstände der Kontaktierung und Stromleitung. Die Leistungsendstufe kann in vier
verschiedenen Betriebszuständen gesteuert werden, die jeweils charakterisiert sind durch den
jeweiligen Schaltzustand der Transistoren TR1 und TR2. Die Betriebszustände sind
Ruhezustand (RZ), Aufmagnetisieren (AMZ), Freilauf (FL) sowie hartes Abschalten mit
schneller Stromrückführung (SSR). Liegt an den Gate-Anschlüssen der vorzugsweise als
MOS-Transistor ausgebildeten Transistoren TR1 und TR2 ein hohes Spannungspotential an, so
ist der jeweilige Transistor von seinem Drain-Anschluss zur Source-Anschluss leitend. Liegt
am Gate-Anschluss ein niedriges Spannungspotential an, so sperrt der Transistor von seinem
Drain-Anschluss zu seinem Source-Anschluss.
Im Betriebszustand des Ruhezustandes RZ sind die Transistoren TR1 und TR2 nicht leitend
und der Strom durch die Erregerspule ist ebenfalls Null.
Im Betriebszustand des Aufmagnetisierens AMZ werden beide Transistoren leitend betrieben.
Strom fließt dann von einer Spannungsquelle mit dem Potential der Vorsorgerspannung durch
den Transistor TR1, die Erregerspule durch den Transistor TR2 und den Messwiderstand Rmess
hin zu einem Masseanschluss, der auf einem Bezugspotential ist.
Im Betriebszustand des Freilaufs wird Transistor TR2 leitend betrieben und Transistor TR1
nicht leitend. Fließt im Zeitpunkt des Überganges in den Betriebszustand des Freilaufs FL ein
Strom durch die Erregerspule, so wird die Freilaufdiode D2 leitend und der Strom durch die
erste Erregerspule nimmt abhängig von den Verlusten im Widerstand der Erregerspule, dem
Transistor TR2, dem Messwiderstand Rmess und der Freilaufdiode D2 ab.
Im Betriebszustand der schnellen Stromrückführung SSR werden die Transistoren TR1 und
TR2 nicht leitend betrieben. Fließt beim Übergang in den Betriebszustand der schnellen
Stromrückführung SSR ein Strom durch die Erregerspule, so werden die Freilaufdiode D2 und
die Diode D1 leitend. Der Strom fließt dann von dem Bezugspotential über die Freilaufdiode
D1 hin zur Erregerspule über den Messwiderstand Rmess über die Diode D2 hin zur
Spannungsquelle mit dem Spannungspotential der negativen Versorgerspannung UV. Wird die
Erregerspule nicht in Sättigung betrieben, so ist der Spannungsabfall in der Erregerspule gleich
der negativen Versorgerspannung UV zuzüglich der negativen Durchlassspannungen der
Freilaufdiode D1 und der Diode D2 und den Verlusten am Messwiderstand.
In Fig. 3b ist die Positionierung der Messstellen zur Erfassung des Stromes durch die
Erregerspule sowie des Spannungsabfalls an der Erregerspule in der Leistungsendstufe
beschrieben. So wird der Spannungsabfall zwischen der Zuführungsleistung zur Erregerspule
und der Rückführungsleistung erfasst. Der Strom wird aus dem Spannungsabfall am
Messwiderstand ermittelt. Alternative Positionierungen der Messstellen zur Erfassung des
Stromes durch die Erregerspule sind ebenfalls möglich. Außerdem kann statt des
Messwiderstandes auch ein Hall-Element zur Strommessung eingesetzt werden.
In Fig. 3c ist eine alternative Endstufenbeschaltung dargestellt. In diesem Verfahren schaltet
muss in der Aufmagnetisierungsphase (AMZ) nur der eine MOS-Transistor TR1 geschaltet
werden. Der Strom fließt dann über die Erregerspule, den Messwiderstand zur zum
Masseanschluss der auf einem Bezugspotential ist. In der Freilaufphase (FL) wird der zweite
MOS-Transistor TR2 geschaltet und der erste MOS-Transistor abgeschaltet. Fließt im Zeitpunkt
des Überganges in den Betriebszustand des Freilaufs FL ein Strom durch die Erregerspule, so
wird die Freilaufdiode D1 leitend und der Strom durch die Erregerspule nimmt abhängig von
den Verlusten im Widerstand der Erregerspule, dem Transistor TR1, dem Messwiderstand
Rmess und der Freilaufdiode D1 ab. Im Betriebszustand der schnellen Stromrückführung (SSR)
werden beide MOS-Transistoren abgeschaltet. Die Zener-Diode D2 wird dann wirksam. Fließt
ein Strom durch die Erregerspule nimmt dieser abhängig von der Zener-Spannung, den
Verlusten an der Freilaufdiode D1, dem Widerstand der Erregerspule und dem Messwiderstand
Rmess ab. Der Vorteil dieser Endstufenbeschaltung liegt in den geringeren Verlusten beim
Einschalten der Erregerspule und der geringeren Belastung der beiden MOS-Transistoren. Dies
führt zu geringeren Kosten, ermöglicht jedoch im Gegensatz zur in Fig. 3a und 3b
beschriebenen Endstufenbeschaltung keine Rückspeisung der Energie im Betriebszustand der
schnellen Stromrückführung. Diese Beschaltung eignet sich besonders für Elektromagnete die
geringe mechanische Verluste zu überwinden haben.
Als Alternative zu der beschriebenen Endstufenbeschaltungen sind auch andere
Schaltungsvarianten denkbar wie z. B. die Vollbrücke mit 4 MOS-Transistoren, Alternative
Schaltungsvarianten sind geeignet, wenn sie mindestens 3 unterschiedliche Betriebszustände
ermöglichen.
In Fig. 4 ist ein Kennlinienfeld eines Elektromagneten aufgezeigt, in dem der Zusammenhang
zwischen Strom durch die Erregerspule, magnetischem Fluss der Erregerspule sowie dem
Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche am Magneten ermittelt werden kann. Aus dem
Kennlinienfeld kann bei bekannten magnetischen Fluss und Strom duch die Erregerspule der
Luftspalt zwischen Anker und der Anlagefläche des Magneten ermittelt werden und somit die
Position des Ankers beziehungsweise des Ventils bestimmt werden. Die Ermittlung des
Luftspaltes erfolgt durch Interpolation des Kennlinienfeldes bzw. durch Berechnung mittels
einer Funktion, die das Kennfeldes in ausreichender Genauigkeit abbildet. Zu möglichst
genauen Ermittlung der Wegposition ist es vorteilhaft, die Wegposition in dem
Kennlinienbereich zu ermitteln, in dem eine hohe Auflösung zwischen Luftspalt und der
Messgrößen magnetischer Fluss und Strom gegeben ist, d. h. vorzugsweise im Bereich kleiner
Luftspalte und eines großes magnetischen Flusses durch die Erregerspule.
In Fig. 5a-d sind verschiedene Verfahren der Ermittlung des Stromes und des magnetischen
Flusses zur Positionsbestimmung während der Bewegungsphase von der Anlagefläche eines
Elektromagneten zur Anlagefläche des anderen Elektromagneten dargestellt. In den Fig. 5a-d
ist der zeitliche Ablauf der Erregerstromniveaus I1 und I2 durch die beiden Erregerspulen der
Elektromagnet sowie die Position X des Ankers dargestellt.
In einem ersten in Fig. 5a dargestelltem Verfahren wird der Anker durch Bestromung der
Erregerspule I1 zunächst beispielweise mittels eines Zweipunktreglers auf einem
Haltestromniveau IH gehalten. In diesem Zustand befindet sich der Anker an der Anlagefläche
eines Elektromagneten. Die Position X ist dann s1. Zur Einleitung der Bewegung wird der
Strom vom Haltestromniveau IH auf ein Messstromniveau IM reduziert und für die Zeit ΔtM auf
dem Messstromniveau gehalten. Nachdem der Strom ein Stromniveau IS erreicht, welches
geringfügig unter dem Haltestromniveau und über dem Messstromniveau liegt, setzt die
Hubbewegung ein. Mittels der Flussänderung und der Stromänderung kann die Position des
Ankers beim Ablösevorgang von der Anlagefläche des Elektromagneten kontinuierlich
ermittelt werden. Die Wegposition ist solange ermittelbar, bis der Messstrom nach der Zeit ΔtM
abgeschalten wird. Nach Abschalten des Messstroms wird der Fangstrom I2 der Erregerspule
des anderen Elektromagneten aktiviert. Dieser Fangstrom kompensiert die mechanischen
Verluste während der Hubbewegung und gewährleistet, dass der Anker sich hin bis zum
Anliegen an der Anlagefläche des gegenüberliegenden Elektromagneten bewegt. Nach
Einschalten des Fangstromes wird der Strom I2 der zweiten Erregerspule und der magnetische
Fluss ausgewertet. Während des Zeitintervalls ΔtF kann die Position des Ankers kontinuierlich
bestimmt werden. Nach Auftreffen des Ankers auf die Anlagefläche des gegenüberliegenden
Elektromagneten wird der Anker wieder durch das Haltestromniveau IH
an der Anlagefläche des Elektromagneten gehalten.
Das in Fig. 5b dargestellt Verfahren unterscheidet sich in dem in Fig. 5a dargestellten
Verfahren dadurch, dass der Strom der ersten Erregerspule I1 nach der Haltephase ΔtH im
Anschluss auf Null zurückgeführt wird. Die Bestimmung der Position kann somit nur in einem
kurzen Zeitintervall nach Beginn der Ankerbewegung erfolgen. Der Strom I2 der Erregerspule
des Fangmagneten wird dann zuerst auf einem Messstromniveau IM gesetzt und dann auf das
Fangstromniveau IF erhöht. Die Auswertung der Position erfolgt dann sowohl im
Messstrombetrieb als auch im Fangstrombetrieb. Das zweite Verfahren ist vorteilhaft in
Hinblick auf den elektrischen Energiebedarf für eine Fangphase, hat jedoch den Nachteil dass
die Wegposition durch Auswertung der Fangspule ungenauer erfasst werden kann, da die
Auswertung in einem Kennfeldbereich erfolgt, in dem eine geringe Auflösung vorhanden ist.
In dem in Fig. 5c beschriebenen Verfahren werden beide Erregerspulen für eine bestimmte
Zeitdauer auf einem Messstromniveau ΔtM1 und ΔtM2 betrieben. Zeitweise erfolgt, der Betrieb
parallel. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass lückenlos die Wegposition ermittelt werden
kann und gegebenenfalls Ungenauigkeiten bei der Wegpositionserfassung bedingt durch
Schwankungen der Widerstände und Ungenauigkeiten der Strommessung durch redundante
Auswertung kompensiert werden.
In dem in Fig. 5d beschriebenen vierten Verfahren wird die Wegposition nur beim Abschalten
des Stroms I1 und während des Wirkens des Fangstromes I2 ermittelt. Die Wegposition kann
dann nur zu Beginn des Ablösevorgangs des Ankers von der Anlagefläche am
Elektromagneten sowie nach Einsetzen des Fangstromes ermittelt werden. Dieses Verfahren ist
vorteilhaft, da die elektrische Leistungsaufnahme während der Fangphase sowie die
Bremswirkung, des abschaltenden Elektromagneten minimiert werden kann.
In Fig. 6a und Fig. 6b sind Ablaufdiagramme zur Erfassung der Ankerposition dargestellt, das
in der Steuereinheit 3 abgearbeitet wird. Das Programm berechnet die Position X der
Ankerplatte, wenn sich die Ankerplatte von der Position s1 zur Position s2 bewegt. Ein
äquivalentes Programm, das die Position X berechnet, wenn sich die Ankerplatte von der
Position s2 zur Position s1 bewegt, ist ebenfalls vorgesehen.
In Fig. 6a ist das Ablaufdiagramm zur Erfassung der Ankerposition beim Abschalten der einen
Haltespule dargestellt, d. h. beim Beginn der Hubbewegung des Ankers. In einem ersten Schritt
S1 wird das Programm gestartet. In einem zweiten Schritt S2 wird dem Strom I0 der
Haltestromwert IH, dem magnetischen Fluss Φ0 der Haltfluss ΦH, sowie der Position X der
Anfangswert s1 zugeordnet. Im Schritt S3 wird dem Strom I1 der Anfangsstromwert I0, dem
magnetischen Fluss Φ1 der Anfangsfluss Φ1, sowie der Position X1 der Anfangswert S1
zugeordnet. In einem vierten Schritt S4 wird geprüft, ob der gemessene Strom das eingestellte
Haltestromniveau unterschreitet, d. h. es wird geprüft, ob die Hubbewegung beginnt. Sofern die
Bedingung erfüllt ist, wird im Schritt S5 ein neuer Stromwert I2 ermittelt und die
Induktionsspannung Uind der Erregerspule berechnet. Aus der Induktionsspannung wird in
Schritt S6 ein neuer Wert des magnetischen Flusses Φ2 durch Integration der
Induktionsspannung und dem Anfangswert des magnetischen Flusses Φ1 berechnet. Die
Ermittlung der Position X erfolgt in Schritt S7 durch Interpolation des Kennfeldes. In Schritt
S8 wird geprüft, ob der gemessene Strom größer ist als ein unterer Grenzwert IU, der in der
Regel sehr klein oder gleich Null ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, wird die Ermittlung der
Wegposition fortgesetzt. Ist die Bedingung erfüllt, wird in Schritt S9 der Strom I3 sowie der
magnetische Fluss Φ3 gleich Null gesetzt. In Schritt S10 wird die Positionsbestimmung
abgeschlossen.
In Fig. 6b ist das Ablaufdiagramm zur Erfassung der Ankerposition beim Einschalten des
Fangstromes I2 dargestellt, d. h. die Bestimmung der Wegposition nach bereits eingesetzter
Ankerbewegung. In einem ersten Schritt S1 wird das Programm gestartet. In einem zweiten
Schritt S2 wird dem Strom I0 sowie magnetischer Fluss Φ0 Null gesetzt. Im Schritt S3 wird
dem Strom I1 der Anfangsstromwert I0, dem magnetischen Fluss Φ1 der Anfangsfluss Φ1,
zugeordnet. In einem vierten Schritt S4 wird geprüft, ob der gemessene Strom größer als Null
ist, d. h. es wird geprüft, ob der Fangstrom eingeschaltet wurde. Sofern die Bedingung erfüllt
ist, wird im Schritt S5 ein neuer Stromwert I2 ermittelt und die Induktionsspannung Uind der
Erregerspule berechnet. Aus der Induktionsspannung wird in Schritt S6 ein neuer Wert des
magnetischen Flusses Φ2 durch Integration der Induktionsspannung und dem Anfangswert des
magnetischen Flusses Φ1 berechnet. Die Ermittlung der Position X erfolgt in Schritt S7 durch
Interpolation des Kennfeldes. In Schritt S8 wird geprüft, ob der Anker die Position s2 erreicht
hat, d. h. ob die Ankerbewegung, abgeschlossen ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, so wird die
Ermittlung der Wegposition fortgesetzt. Ist die Bedingung erfüllt, wird der Strom I3 gleich
dem Haltestrom IH gesetzt, dem magnetischen Fluss Φ3 der Haltefluss ΦH zugeordnet und der
Position X gleich der Endposition s2 gesetzt. In Schritt S10 wird abgefragt, ob die
Positionsbestimmung abgebrochen werden soll. Diese Abfrage ermöglicht eine Fortsetzung der
Wegbestimmung während der Haltephase, um genauere Anfangsflusswerte sowie
Anfangsstromwerte für den Abschaltvorgang der aus der Haltephase zu erhalten, sowie um
festzustellen, ob sich der Anker während der Haltephase ablöst.
Claims (10)
1. Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ankers, der einem Stellantrieb
zugeordnet ist, wobei der Stellantrieb mindestens einen Elektromagneten und
mindestens eine Erregerspule hat, der Anker beweglich ist zwischen einer ersten
Anlagefläche an dem Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche, dadurch
gekennzeichnet,
- a) dass der Strom in und gegebenenfalls der Spannungsabfall an der Erregerspule ermittelt wird,
- b) dass der magnetische Fluss durch die Erregerspule durch Integration der induzierten Spannung ermittelt wird, wobei die induzierte Spannung entweder berechnet wird aus dem Strom durch die Erregerspule unter Berücksichtigung des Betriebszustandes der Leistungsendstufe oder aus dem Strom durch die Erregerspule dem Spannungsabfall an der Erregerspule ermittelt wird,
- c) dass die Wegposition durch ein Kennfeld oder eine Funktion, dass den Zusammenhang zwischen magnetischen Fluss, Strom und Position abbildet ermittelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des
Stromes ein alternierendes Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der
Strom der einen Erregerspule ermittelt wird, in dem das Stromniveau variiert zwischen
einem Haltestromniveau und einem Messstromniveau und anschließend der Fangstrom
der zweiten Erregerspule ausgewertet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des
Stromes ein alternierendes Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der
Strom der einen Erregerspule ermittelt wird, in dem das Stromniveau von einem
Haltestromniveau abschaltet wird und anschließend der Fangstrom der zweiten
Erregerspule ausgewertet wird, bei dem der Fangstrom zwischen einem konstanten
Messstromniveau und variierenden Fangstromniveaus ausgewertet wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des
Stromes ein alternierendes Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der
Strom der einen Erregerspule ermittelt wird, in dem das Stromniveau variiert zwischen
einem Haltestromniveau und einem Messstromniveau und anschließend der Fangstrom
der zweiten Erregerspule ausgewertet wird, bei dem der Fangstrom zwischen einem
konstanten Messstromniveau und variierenden Fangstromniveaus ausgewertet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des
Stromes ein alternierendes Strommessverfahren angewandt wird, bei dem zuerst der
Strom der einen Erregerspule ermittelt wird, in dem das Stromniveau von einem
Haltestromniveau abschaltet wird und anschließend der Fangstrom der zweiten
Erregerspule ausgewertet wird, bei dem der Fangstrom bei variierenden
Fangstromniveaus ausgewertet wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, das die Wegposition
entweder durch Interpolation eines Kennfeldes mittels einer Funktion, die das Kennfeld
abbildet, berechnet wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer genaueren
Berechnung des magnetischen Flusses eine Korrekturfunktion zur Berücksichtigung der
Wirbelstromverluste verwendet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche
Leistungsendstufen eingesetzt werden, die mehrere Betriebszustände wie
Aufmagnetisieren (AMZ), Freilauf (FL) und schnelle Stromrückführung (SSR)
ermöglichen.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegposition bei
unterschiedlichen Ausführungen von elektromechanischen Stehgeräten ermittelt werden
kann.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung
alternativ durch einen Messwiderstand oder ein Hall-Element erfolgt.
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