DE102007034768B3

DE102007034768B3 - Elektrischer Hubmagnet

Info

Publication number: DE102007034768B3
Application number: DE200710034768
Authority: DE
Inventors: Horst Rudolf W. König; Stefan Dilger
Original assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Current assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hubmagneten mit einer ein Isthub-Signal generierenden Schaltungsanordnung und einer Erregerschaltung, die den Hubmagnet bzw. dessen Spule mit einem Erregerstrom beaufschlagt, der in Abhängigkeit von einem Sollhubsignal und/oder dem Isthub-Signal steuerbar bzw. regelbar ist, wobei die Erregerschaltung einen den Erregerstrom regelnden Zweipunkt-Regler aufweist, der eingangsseitig mit einem Erregerstrom-Sollwertgeber und einem Erregerstrom-Istwertgeber verbunden ist und ausgangsseitig einen zwischen Schließ- und Öffnungszustand umschaltbaren Schalter betätigt, der in seinem elektrisch geschlossenen Zustand den Hubmagnet mit einer elektrischen Erregerspannungsquelle verbindet und in seinem geöffneten Zustand von der Erregerspannungsquelle elektrisch abtrennt, und wobei der Erregerstrom-Sollwertgeber als Regler ausgebildet ist, welcher die Schaltfrequenz des Zweipunktreglers bzw. des davon betätigten Schalters als Isthub-Signal verarbeitet sowie mit einem vorgebbaren Sollhub-Signal vergleicht und das Sollwertsignal für den Erregerstrom entsprechend regelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hubmagnet mit einer ein Isthub-Signal generierenden Schaltungsanordnung und einer Erregerschaltung, die den Hubmagnet bzw. dessen Spule mit einem Erregerstrom beaufschlagt, der in Abhängigkeit von einem Sollhub-Signal und/oder den Isthub-Signal steuerbar bzw. regelbar ist.
Ein solcher Hubmagnet ist Gegenstand der US 2007/0030619 A1 , wobei zur Ermittlung der Hubstellung des Hubmagnetes Änderungen eines den Hubmagnet durchsetzenden elektrischen Stromes ausgewertet werden, der bei Beaufschlagung des Hubmagnetes mit einer elektrischen Spannung auftritt.
Elektrische Hubmagnete sind allgemein bekannt und werden regelmäßig als elektrisch betätigbare Aktoren zur Ausführung von Stellfunktionen eingesetzt, beispielsweise zur Verriegelung oder Entriegelung von Fahrzeugtüren.
Oftmals sind für die Stellfunktionen lediglich die Endlagen des Hubmagnetes wichtig. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die den Hubmagneten zugeordneten Steuerschaltungen le diglich die Endlagen zu erkennen brauchen, welche beispielsweise mittels Endschalter erfasst werden können.
Andererseits kann es auch erwünscht sein, Hubmagnete für Stellfunktionen einzusetzen, bei denen der Hubmagnet reproduzierbar Stellungen zwischen seinen Endlagen einnimmt. Bei solchen Verwendungen von Hubmagneten sind in der Regel gesonderte Hubwegsensoren erforderlich, die ein die jeweilige Hubstellung des Hubmagnetes wiedergebendes analoges oder digitales elektrisches Signal erzeugen können. Der für eine solche Sensorik erforderliche Aufwand ist unerwünscht hoch.
Es sind verschiedene Methoden für eine sensorlose Positionsbestimmung eines Magnetankers bekannt, insbesondere die Ermittlung der Position über eine Frequenz, die sich aus der sich in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Anker verändernden Induktivität der Spule des Elektromagneten ergibt. In diesem Zusammenhang kann auf die DE 197 39 840 A1 verwiesen werden (vgl. Spalte 6 Zeilen 60ff). Außerdem kann aus der sich ändernden Periodendauer der an der Spule des Elektromagneten anliegenden Ansteuerpulse das Erreichen bzw. Verlassen einer bestimmten Ankerposition erkannt werden, vgl. die DE 197 42 038 A1 , Spalte 3 bzw. Patentanspruch 1.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Hubmagnet zu schaffen, der bei geringem konstruktiven Aufwand die Möglichkeit bietet, eine vorgebbare Hubstellung reproduzierbar einzuregeln.
Diese Aufgabe wird bei einem Hubmagnet der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Erregerschaltung einen den Erregerstrom regelnden Zweipunktregler aufweist, der eingangsseitig mit einem Erregerstrom-Sollwertgeber und einem Erregerstrom-Istwertgeber verbunden ist und ausgangsseitig einen zwischen Schließ- und Öffnungszustand umschaltbaren elektrischen Schalter betätigt, der in seinem geschlossenen Zustand den Hubmagnet mit einer elektrischen Erregerspannungsquelle verbindet und in seinem geöffneten Zustand den Hubmagnet von der Erregerspannungsquelle elektrisch abtrennt, und dass der Erregerstrom-Sollwertgeber als Regler ausgebildet ist, welcher die Schaltfrequenz des Zweipunktreglers bzw. des davon betätigten elektrischen Schalters als Isthub-Signal verarbeitet sowie mit einem vorgebbaren Sollhub vergleicht und ausgangsseitig ein entsprechend geregeltes Sollwertsignal für den Erregerstrom abgibt.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Erregerschaltung derart auszubilden, dass innerhalb der Schaltung ein die Hubstellung wiedergebendes Signal auftritt. Dabei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass bei einer getakteten Bestromung des Hubmagnetes die Taktfrequenz mit der Hubstellung des Hubmagnetes korreliert ist. Dementsprechend erfolgt bei der Erfindung eine getaktete Bestromung des Hubmagnetes, so dass die damit abgreifbare Taktfrequenz als Signal für den Isthub des Hubmagnetes zur Verfügung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Sollhubgeber ein manuell steuerbarer Frequenzgenerator bzw. Taktgeber vorgesehen ist. Damit stehen für den Sollhub und den Isthub gleichartig strukturierte Signale zur Verfügung, die vom Erregerstrom-Sollwertgeber direkt zur Regelung des Sollwertes für den Erregerstrom verarbeitet werden können.
Der vom Zweipunktregler gesteuerte Schalter ist vorzugsweise als Schalttransistor bzw. FET ausgebildet, so dass zur Steuerung nur eine äußerst geringe Leistung benötigt wird.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.
In der Zeichnung zeigt
1 ein Diagramm, welches die Induktivität der Spule des Hubmagnetes in Abhängigkeit vom Hub des Ankers des Hubmagnetes darstellt, und
2 ein schematisiertes Schaltbild des Hubmagnetes sowie seiner Erregerschaltung.
Gemäß 1 ändert sich die Induktivität L eines Hubmagnetes in Abhängig vom Hub h des Ankers des Hubmagnetes relativ zur Spule des Hubmagnetes.
In 2 ist nun ein Hubmagnet 1 mit zugeordneter Erregerschaltung 2 dargestellt. Diese Erregerschaltung 2 umfasst einen elektrisch in Reihe zum Hubmagnet 1 angeordneten Messwiderstand 3 sowie einen dazu in Reihe liegenden Schalttransistor 4, wobei die Reihenschaltung mit dem Hubmagnet 1, dem Messwiderstand 3 und dem Schalttransistor 4 parallel zu einer elektrischen Spannungsquelle 5 liegt.
Sobald der Schalttransistor 4 auf Durchlass geschaltet wird, wird der Hubmagnet 1 bzw. dessen Spule von einem elektrischen Strom durchsetzt, der zu einem Spannungsabfall am Messwiderstand 3 führt. Dieser Spannungsabfall wird von einem Messverstärker 6 erfasst, welcher dann ein zum Spannungsabfall und damit zu dem den Hubmagnet 1 durchsetzenden elektrischen Strom korreliertes Ausgangssignal I_ist abgibt. Das Ausgangssignal I_ist des Messverstärkers 6 gibt also das Maß des Istwertes des elektrischen Stromes an, der den Hubmagnet 1 durchsetzt. Das Signal I_ist wird an einen Eingang eines Zweipunkt-Stromreglers 7 weitergeben, dessen anderer Eingang ein Signal I_soll erhält, welches den Sollwert für den den Hubmagnet 1 durchsetzenden elektrischen Strom wiedergibt. Entsprechend einem Soll-Istwert-Vergleich zwischen den Eingangssignalen I_ist und I_soll steuert der Zweipunkt-Stromregler 7 den Schalttransistor 4, d. h. der Schalttransistor 4 wird auf Durchlass geschaltet, wenn die Soll- Istwert-Differenz I_soll–I_ist oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Wenn dagegen die Soll-Istwert-Differenz unterhalb dieses Schwellwertes liegt, wird der Schalttransistor 4 gesperrt, so dass der Hubmagnet 1 elektrisch von der Spannungsquelle 5 getrennt ist. Die Umschaltung des Schalttransistors 4 zwischen seinem leitenden und seinem sperrenden Zustand durch den Zweipunkt-Regler 7 erfolgt mit einer Schaltfrequenz f, die mit dem Hub h des Ankers des Hubmagnetes 1 korreliert ist. Ein als Regler arbeitender Sollwertgeber 8 für den den Hubmagnet 1 durchsetzenden Erregerstrom I_soll kann nun die den Isthub h_ist wiedergebende Schaltfrequenz f_ist des Zweipunkt-Regler 7 bzw. des Schalttransistors 4 mit der einen Sollhub h_soll wiedergebenden Frequenz f_soll eines als steuerbarer Frequenzgenerator arbeitenden Sollwertgebers 9 für den Sollhub h_soll vergleichen und das ausgangsseitig abgegebene Signal I_soll derart steuern, dass die Soll-Istwertabweichung h_ist–h_soll bzw. f_ist–f_soll verschwindet. Damit ist also im Ergebnis erreicht, dass die Erregerschaltung 2 den den Hubmagnet 1 durchsetzenden elektrischen Strom auf einen Wert einregelt, bei dem sich der durch den Sollwertgeber 9 vorgegebene Sollhub einstellt.
Um unerwünschte Resonanzerscheinungen innerhalb der Erregerschaltung 2 zu vermeiden, arbeitet der Messverstärker 6 mit einer hinreichenden Trägheit, d. h. das Ausgangssignal I_ist des Messverstärkers 6 ändert sich mit einer Zeitkonstante, die vergleichsweise groß im Vergleich zum Zeitintervall f_ist ^–1 ist. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der Messverstärker 6 ein Ausgangssignal I_ist erzeugt, welches von einem Mittelwert des von den Eingängen des Messverstärkers 6 erfassten Spannungsabfalls abhängt. Das Ausgangssignal I_ist entspricht also dem Mittelwert des den Hubmagnet 1 durchsetzenden elektrischen Stromes.
Aus der Beschreibung der 2 wird deutlich, dass der Erregerstrom-Sollwertgeber 8 in 2 ohne weiteres als digitale Schaltung ausgebildet sein kann, ohne dass eingangsseitig dieses Sollwertgebers 8 Analog-Digital-Wandler notwendig werden.
Abweichend von der vorangegangenen Beschreibung bzw. der Zeichnung kann anstelle des manuell betätigten Sollwertgebers g auch ein anderes Schaltungselement zur Vorgabe eines Sollhubes vorgesehen sein, z. B. ein Befehlsgeber einer Prozesssteuerung, d. h. der Sollhub kann automatisch in Abhängigkeit von prinzipiell beliebigen Parametern vorgegeben werden.
Im dargestellten Beispiel werden der Soll- und der Istwert h_soll und h_ist durch Frequenzen f_soll und f_ist repräsentiert. Stattdessen können bei entsprechender Prozessorkapazität des Erregerstrom-Sollwertgebers 8 auch anders strukturierte Signale verarbeitet werden. Insbesondere dürfen h_soll und h_ist durch unterschiedlich strukturierte Signale repräsentiert werden.
Außerdem können die Funktionen des Zweipunkt-Stromreglers und des Erregerstrom-Sollwertgebers 8 in einem einzigen Pro zessor mit entsprechender Rechnerkapazität integriert sein, wobei die jeweiligen Einzelfunktionen durch entsprechende Software übernommen werden.

Claims

Elektrischer Hubmagnet mit – einer ein Isthub-Signal (h_ist, f_ist) generierenden Schaltungsanordnung, – einer Erregerschaltung (2), die den Hubmagnet (1) bzw. dessen Spule mit einem Erregerstrom beaufschlagt, der in Abhängigkeit von einem Sollhubsignal (h_soll, f_soll) und/oder dem Isthub-Signal steuerbar bzw. regelbar ist, und – einem den Erregerstrom regelnden Zweipunkt-Regler (7), der eingangsseitig mit einem Erregerstrom-Sollwertgeber (8) und einem Erregerstrom-Istwertgeber (6) verbunden ist und ausgangsseitig einen zwischen Schließ- und Öffnungszustand umschaltbaren Schalter (4) betätigt, der in seinem elektrisch geschlossenen Zustand den Hubmagnet (1) mit einer elektrischen Erregerspannungsquelle (5) verbindet und in seinem geöffneten Zustand von der Erregerspannungsquelle (5) elektrisch abtrennt, wobei der Erregerstrom-Sollwertgeber (8) als Regler ausgebildet ist, welcher die Schaltfrequenz (f_ist) des Zweipunktreglers (7) bzw. des davon betätigten Schalters (4) als Isthub-Signal (h_ist) verarbeitet sowie mit einem vorgebbaren Sollhub-Signal (f_soll, h_soll) vergleicht und das Sollwertsignal für den Erregerstrom (I_soll) entsprechend regelt.
Hubmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom-Istwertgeber (6) als Messverstärker ausgebildet ist, zwischen dessen Eingängen ein mit dem Hubmagnet (1) elektrisch in Reihe geschalteter Messwiderstand (3) angeordnet ist.
Hubmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom-Sollwertgeber (8) als Regler ausgebildet ist, dessen einer Eingang die Schaltfrequenz (f_ist) des Zweipunkt-Reglers (7) bzw. des Schalters (4) als Signal für den Isthub (h_ist) des Hubmagnetes (1) verarbeitet und dessen anderer Eingang ein den Sollhub (h_soll) des Hubmagnetes (1) wiedergebendes Signal (f_soll) eines Sollhubgebers (9) verarbeitet.
Hubmagnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollhubgeber (9) als steuerbarer Frequenzgenerator bzw. Taktgeber ausgebildet ist.
Hubmagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) als Schalttransistor bzw. FET ausgebildet ist, dessen Gate-Elektrode elektrisch an den Ausgang des Zweipunkt-Reglers (7) angeschlossen ist.