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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromregelung für eine induktive Last.
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Die Kraft, die von einem elektromechanischen Aktuator, in dem ein zyklisch schwankender Strom
fließt, erzeugt wird, ist eine Funktion des mittleren Magnetflusses in dem Luftspalt des Aktuators, und steht
daher in Beziehung zu dem mittleren Strom, der in der Aktuatorwicklung (oder den Aktuatorwicklungen) fließt.
Um einen Aktuator so zu steuern, daß er eine bestimmte Kraft aufbringt, ist es daher vorteilhaft, das richtige
Niveau des mittleren Stroms in der Wicklung (den Wicklungen) aufrechtzuerhalten, um eine zuverlässige
Betätigung ohne übermäßigen Stromverbrauch zu erhalten.
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Eine wirksame Betätigung von elektromechanischen Aktuatoren wird in herkömmlicher Weise durch
Verwendung von Pulsbreitenmodulation (PBM) für die Spannungsversorgung des Aktuators erreicht. Dies
erfordert, ein Schaltelement periodisch zu schließen, um zu bewirken, daß der Strom in der Wicklung (den
Wicklungen) zunimmt, und dann den Schalter zu öffnen, um den Strom durch eine Umlaufdiode oder ein
Umlaufelement fließen zu lassen, so daß der Strom abfällt, bis der nächste Impuls beginnt. Bei dieser
Anordnung ist es bei herkömmlichen Regelschaltungen schwierig, den mittleren Stromfluß zu messen, da das
erforderliche Stromfühlelement den Strom sowohl während der Stromanstiegs-, als auch während der
Stromabfallperioden überwachen muß. Wenn die Umlaufdiode von der Wicklung getrennt ist, ist dies möglich,
aber kompliziert, und es sind teure Analogschaltungselemente erforderlich, um die Überwachung auszuführen.
Wenn die Umlaufdiode in die Wicklung eingebaut ist und keine getrennten Anschlüsse hat, ist die
Strommessung sogar noch schwieriger.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache, aber wirksame Regelung für den
mittleren Strom zu verwirklichen, bei der die obenerwähnten Schwierigkeiten vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung wird eine Stromregelung für eine induktive Last verwirklicht, aufweisend eine
Schaltvorrichtung und ein Stromfühlelement, die in Serie zu der Last angeschlossen sind, einen
Spannungskomparator, der mit dem Fühlelement verbunden ist, und ausgelegt ist, um zu wirken, wenn der
Strom in dem Fühlelement gleich einem gewünschten mittleren Wert ist, und eine digitale Regelschaltung, die
mit dem Spannungskomparator verbunden ist, um ein Eingangssignal von dem Spannungskomparator zu
erhalten, und mit der Schaltvorrichtung verbunden ist, um den Leitungszustand der Schaltvorrichtung zu
steuern, wobei die digitale Regelschaltung wirksam ist, um die Schaltvorrichtung periodisch einzuschalten, um
die Dauer eines ersten Intervalls von dem Einschalten bis zu dem Augenblick des Betriebs des
Spannungskomparators, in dem der Strom in der Last den gewünschten mittleren Wert erreicht, zu messen, und
um das Schaltelement während eines zweiten Intervalls von einer Dauer, die als eine Funktion der Dauer des
ersten Intervalls berechnet wird, in seinem eingeschalteten Zustand zu halten.
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Wenn die betreffenden Intervalle kurz sind im Vergleich zu den Zeitkonstanten für den Stromanstieg
und den Stromabfall, können der Anstieg und der Abfall als im wesentlichen linear angesehen werden, so daß
ein akzeptables Genauigkeitsniveau erhalten werden kann, wenn die Dauer des zweiten Intervalls auf der Basis
der Dauer des ersten Intervalls berechnet wird.
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Es wird eine Berechnung verwendet, bei der in dem stabilen Zustand die Dauer des zweiten Intervalls
gleich der Dauer des ersten Intervalls ist.
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Um zu ermöglichen, daß die Regelung stabil arbeitet, erfolgt die Berechnung jedoch so, daß die Dauer
des zweiten Intervalls gleich dem Mittelwert der Dauer der ersten Intervalle bei dem laufenden Zyklus und den
vorhergehenden Zyklen ist.
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Die beigefügten Zeichnungen stellen Folgendes dar:
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Die Fig. 1 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel der Erfindung wiedergibt.
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Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das Wellenformen bei der Schaltung der Fig. 1 wiedergibt.
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Die Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise des in der Fig. 1 wiedergegebenen
Beispiels veranschaulicht.
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Die Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein zweites Beispiel der Erfindung wiedergibt.
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In der Fig. 1, auf die zuerst Bezug genommen wird, hat die induktive Last die Form einer
Magnetspule 10, die mit einer Stromumlaufdiode 10a kombiniert ist. Diese Diode ist in der Tat in die
Magnetspule so eingebaut, daß die Verbindungen zwischen der Magnetspule und der Diode nicht getrennt
werden können, wodurch es unmöglich ist, ein Stromfühlelement zu verwenden, das das Stromniveau in der
Magnetspule fühlen kann, wenn der von außen zugeführte Strom unterbrochen wird.
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Die Regelung umfaßt eine Feldeffekttransistor-Schaltvorrichtung 11 und einen Stromfühlwiderstand
12, die zwischen einer Stromzuführungsschiene 13 und einer Masseschiene 14 in Serie zu der Magnetspule
angeschlossen sind. Ein Ende des Widerstandes 12 ist mit der Stromzuführungsschiene 13 verbunden, so daß
die Spannung an dem anderen Ende des Widerstandes in einer linearen Beziehung zu dem in der Magnetspule
fließenden Strom steht, wenn die Schaltvorrichtung 11 leitend ist. Die Regelung umfaßt außerdem einen
Spannungskomparator 15, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 16 mit dem anderen Ende des
Widerstandes 12, und über einen Kondensator 17 (der als Rauschfilter wirkt) mit der Stromzuführungsschiene
13 verbunden ist.
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Der Ausgang des Spannungskomparators 15 ist mit einem Eingang eines ASIC
(applikationsspezifischen IC) 18 verbunden, der eine arithmetische Einheit (nicht wiedergegeben) enthält. Der
ASIC hat einen Ausgang, der über einen Widerstand 19 mit dem Gate der Schaltvorrichtung 11 verbunden ist.
Ein weiterer Ausgang des ASIC liefert eine Bezugsspannung für den nicht-invertierenden Eingang des
Spannungskomparators 15, entsprechend von dem ASIC erhaltenen Befehlen und den in der arithmetischen
Einheit des ASIC ausgeführten Berechnungen. Die Erzeugung der Bezugsspannung wird hier nicht im
einzelnen beschrieben, aber kann dynamisch und statisch so eingestellt werden, daß der Stromverbrauch des
Aktuators minimiert wird. Es soll nur gesagt werden, daß die auf den nicht-invertierenden Eingang des
Spannungskomparators 15 gegebene Bezugsspannung auf die Spannung eingestellt wird, auf die das andere
Ende des Widerstandes 12 abfällt, wenn der in dem Widerstand 12 fließende augenblickliche Strom gleich dem
gewünschten mittleren Strom in der Magnetspule 10 ist.
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Der wichtige Teil des Programms des ASIC ist in der Fig. 3 wiedergegeben. Die wiedergegebene
Routine wird bei vorgegebenen Zeitintervallen periodisch aufgerufen, und ist für die Überwachung des
Ausgangssignals der Spannungskomparators und die entsprechende Steuerung der Schaltvorrichtung
verantwortlich. Jedesmal, wenn die Routine aufgerufen wird, wird die Variable t inkrementiert (20), und der
Wert von t wird mit der Wiederholungszykluszeit tcyc verglichen (21). Wenn die Zykluszeit nicht abgelaufen
ist, testet (22) die Routine, ob das System in der ersten Phase seines Zyklus ist. Wenn dies der Fall ist, dann
testet (23) die Routine, ob der Ausgang des Spannungskomparators 15 hoch oder niedrig ist. Wenn der Ausgang
niedrig ist, wird die Routine beendet. Wenn der Ausgang hoch ist, wird eine Berechnung (24) ausgeführt, um
den gespeicherten Wert einer Variablen tav zu aktualisieren, wozu der dreifache gespeicherte Wert zu dem
gegenwärtigen Wert von t addiert wird und die Summe durch 4 dividiert wird. Der Wert einer Variablen toff
wird dann als die Summe des neuen Wertes von tav und des Wertes von t berechnet. Der Wert der
Phasenvariablen wird dann auf 2 eingestellt (25), so daß bei dem nächsten Zyklus die Entscheidung (22) einen
Sprung nach einem anderen Zweig der Routine bewirkt.
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Wenn die Phase gleich 2 ist, testet (26) die Routine, ob die durch die Variable toff definierte Periode
abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird die Phase auf 3 eingestellt (27), und der Schalter wird
ausgeschaltet.
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Wenn die Phase auf 3 eingestellt ist, testet (29) die Routine, ob tcyc abgelaufen ist. Wenn dies der Fall
ist, wird t auf null eingestellt, die Phase auf 1 eingestellt, und der Schalter eingeschaltet.
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Folglich wird bei einem normalen Betriebszyklus, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, die Schaltvorrichtung
11 zu Beginn des Zyklus eingeschaltet. Das Stromniveau steigt folglich an. Wenn das Stromniveau den
gewünschten mittleren Wert erreicht, wird der Ausgang des Spannungskomparators 15 hoch, und dann wird die
Dauer der Ein-Periode des Schalters berechnet. Der Schalter wird in dem eingeschalteten Zustand gehalten, bis
die (zweite) berechnete Periode abläuft, und dann wird die Schaltvorrichtung wieder ausgeschaltet, bis es Zeit
für den Beginn eines neuen Zyklus ist.
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Nach einer Änderung bei dem gewünschten mittleren Strom, oder einer Störung bei der mechanischen
Last des Aktuators stellt die Einbeziehung eines dominanten Ausdrucks, der auf vorherigen Werten der Dauer
des ersten Intervalls basiert, in die Berechnung der gesamten Ein-Zeit sicher, daß sich die Regelung auf eine
stabile Weise entsprechend den veränderten Bedingungen selbst einstellt.
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Bei dem in der Fig. 4 wiedergegebenen, zweiten Beispiel ist die Magnetspule 10 zwischen der
Stromzuführungsschiene 13 und der Schaltvorrichtung 11 angeschlossen. Der Widerstand 12 ist zwischen der
Schaltvorrichtung 11 und der Masseschiene 14 angeschlossen, und der nicht-invertierende Eingang des
Spannungskomparators 15 ist über den Widerstand 16 mit dem Widerstand 12 verbunden. Der invertierende
Eingang des Spannungskomparators 15 ist so angeschlossen, daß er das Bezugsspannungssignal von dem ASIC
18 erhält. Die Funktionsweise des zweiten Beispiels ist genau die gleiche wie bei dem ersten Beispiel.