JP5253151B2 - 電磁アクチュエータ内のセンサ無し位置検知 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の上位概念による、少なくとも二つのコイルと、アーマチュアと、出力エレクトロニクスと、を備えた電磁アクチュエータ、ないし、特許請求の範囲の請求項９の上位概念による、このようなアクチュエータを制御するための方法、に関連している。

独国特許出願公開公報DE 103 10448 A1は、二つのコイルと、アーマチュアと、を有する電磁アクチュエータを開示している。コイルの電流供給によって、アーマチュアは軸方向に移動される。

独国特許出願公開公報DE 199 10497 A1には、コイルを有するアクチュエータ内のアーマチュアの位置がコイルの異なるインダクタンスの決定によって認識される、という方法が記載されている。このため、電流が減少している間、電流減少時間が、二つの閾値の間の時間差として、決定される。ここで、電流減少時間は、コイルの抵抗に大きく依存し、これは温度に依存している。

さらに、独国特許出願公開公報DE 100 33 923 A1には、アーマチュアの位置が、コイル内のアーマチュアの動きを引き起こす相互誘導（Gegeninduktion）に依存し、決定される、方法が開示されている。相互誘導は、アーマチュアの速度に依存している。このようなアクチュエータが流体が満たされた領域で用いられる場合には、アーマチュアの速度は、流体の粘度に大きく依存する。流体の粘度は、温度に依存する。

このため、本発明の課題は、付加的なセンサを用いることなく、電磁アクチュエータ内のアクチュエータ部材の位置決定、特に、温度に依存しない位置決定を可能にすることである。

この課題は、主請求項の特徴によるアクチュエータ、ないし、請求項９の特徴によるアクチュエータを制御する方法によって、解決される。

本発明によれば、少なくとも二つのコイルと、アーマチュアと、出力エレクトロニクスと、からなるアクチュエータが提案される。出力エレクトロニクスは、論理ユニットに連結され、この論理ユニットによって制御される。出力エレクトロニクスは、少なくともスイッチを含み、このスイッチは投入ないし遮断され、これによって電力供給が可能とされ、または遮断される。スイッチを介して、両コイルは、電流で作用可能となっている。本発明によれば、コイル内の電流の調整（制御）によって、アーマチュアが移動可能、および／または、アーマチュアの位置が測定可能となる。アーマチュアは、両コイルの間で移動可能に支持され、二つの端部位置の間で、あちらこちらへ（両方向に）移動可能であり、アーマチュアは、中間位置を取ることもできる。両コイルの各々は、両測定用増幅器に接続され、両測定用増幅器は、（所定の）時間に亘って、両コイル上の両電圧曲線を測定する。両測定用増幅器の測定信号は、減算器にさらに伝達される。減算器内で、測定信号から、アーマチュアの位置に依存する最大値を含む第三電圧曲線が計算される。このことは、アーマチュアが内方へ押し込まれるときに、コイルのインダクタンスが増加することに基づいている。コイルの抵抗は、インダクタンスに依存しているので、アーマチュアの位置が電圧曲線に影響を及ぼす。第三電圧曲線の最大値は、論理ユニットによって認識され、当該値に依存して、それはアーマチュアの位置を計算する。

ある実施の形態において、出力エレクトロニクスは、３つまたは４つのスイッチを有している。論理ユニットは、例えば、μ-コントローラまたはμ-プロセッサからなっている。

少なくとも二つのコイルのうちの一つの予備的図面（Ersatzschaubild）は、既知のＬ-Ｃ-Ｒ発振回路による交流考察のために示されることができる。このような発振回路は、第一の交流抵抗と、第二の平行に接続された交流抵抗とからなっている。第一の交流抵抗は、モデルコイル（Modellspule）が直列に接続されたものと、オーム抵抗とからなっている。第二交流抵抗は、静電容量部（コンデンサー）が直列に接続されたものと、さらなるオーム抵抗とからなっている。両交流抵抗は、励起振動数に依存している。本発明によれば、コイルは、突然の電流供給によって、電圧ジャンプ（電圧の急激な変化）に作用する。この瞬間、つまり投入の瞬間は、無限に高い周波数（ｆ→∞）を有する交流でのコイルへの作用というように、記述されうる。モデルコイルの交流抵抗は、そのインダクタンスに依存している。アーマチュアがコイル内に引き込むと、コイルのインダクタンスが高くなるので、モデルコイルの交流抵抗はアーマチュアの位置に依存して変わる。

本発明によれば、両測定用増幅器を介して、両コイルの両電圧曲線が測定される。コイルが急激に増加した電圧で突然に作用され、アーマチュアが両コイルの間の中間には無い場合には、両コイル内で二つの異なる電圧曲線が生じる。これらは、減算器内で互いに減算され、このことから、アーマチュアの位置に対応する最大値を有する曲線が導かれる。この第三の電圧曲線は、最大値を認識する論理ユニットへと、さらに伝達される。この最大値に対応して、論理ユニットによって、例えばある特徴線と比較することによって、アーマチュアの位置が決定されえる。

両コイルの電圧曲線を減算（相殺）することによって、両コイルに作用する干渉の影響が排除される。一つのコイルだけを有する既知のアクチュエータの場合には、例えば電磁的干渉（

）が、コイル内の電圧曲線にもたらされるので、位置決定に影響がでる。好ましい実施の形態において、電磁対称なアクチュエータを生成するために、二つの同じコイルが用いられる。このようにして、干渉が、両コイルに常に同じように作用する。両コイルの両電圧曲線が、互いに引かれるので、これらの干渉は測定結果に影響を及ぼさない。さらに、本発明による解決方法によれば、温度影響が排除される。電圧ジャンプでコイルが作用されることによって、交流抵抗のオーム部分が、交流抵抗の周波数依存する関与と比較して、無視することができるくらい小さなものとして生じる。このため、当該作用の瞬間における電圧曲線は、周波数に依存する交流抵抗の部分に決定的に依存する。それは、周囲温度ではなくアーマチュアの位置に依存する。

本発明およびこの実施の形態をさらに明瞭にするために、図面が詳細な説明に添付されている。

図１は、二つのコイル１，２と、アーマチュア３とからなる電磁アクチュエータを示している。アーマチュア３は、両コイル１，２の間で移動可能に支持されている。第一コイル１の入力部は、電圧供給部６の第一極５に連結されている。第一コイル１の出力部７は、第一スイッチ８を介して電圧供給部６の第二極９、または、第三スイッチ１０を介して第二コイル２の入力部１１、に連結可能になっている。第二コイル２の入力部１１は、第二スイッチ１２を介して電圧供給部６の第一極５、または、第三スイッチ１０を介して第一コイル１の出力部７、に連結可能となっている。三つのスイッチ８，１０，１２は、アクチュエータの出力エレクトロニクスを形成する。第二コイル２の出力部１３は、さらに、電圧供給部６の第二極９に連結可能になっている。第一コイル１の入力部４および出力部７と、第二コイル２の入力部１１および出力部１３とは、各々、測定用増幅器１４，１５に連結されている。測定用増幅器１４，１５は減算器１６に連結され、当該減算器１６はデータがさらに導かれる論理ユニット１７に連結されている。論理ユニット１７は、三つのスイッチ８，１０，１２を制御する。このため、三つのスイッチ８，１０，１２は、アーマチュア３が動かされる、または、電圧ジャンプで両コイル１，２が作用されるように、制御されることができる。論理ユニット１７によって、第一スイッチ８および第二スイッチ１２が制御されて開かれ、それと同時に第三スイッチ１０が閉じられると、電圧ジャンプで両コイル１，２が作用される。このように、投入の瞬間、両コイル１，２上の電圧曲線から、アーマチュアの位置が決定される。本発明による構成によれば、余分なセンサを用いることなく、アクチュエータの位置検知が可能となる。このため、コストおよび配置スペースを節約することができる。

図２は、二つのコイル１，２と、アーマチュア３とからなる電磁アクチュエータの別の実施の形態を示している。ここで、それは永久磁石のアーマチュアに関連している。さらに、両コイル１，２は反対方向に巻かれ、第一コイル１のコイル方向は、第二コイル２のコイル方向と反対になっている。第一コイル１の入力部４は、第一スイッチ８を介して電圧供給部６の第一極５、または、第二スイッチ１２を介して電圧供給部６の第二極９、に連結可能になっている。第一コイル１の出力部７は、第二コイル２の入力部１１に連結されている。第二コイル２の出力部１３は、第三スイッチ１０を介して電圧供給部６の第一極５、または、第四スイッチ１８を介して電圧供給部６の第二極９、に連結可能になっている。第一コイル１の入力部４および出力部７と、第二コイル２の入力部１１および出力部１３とは、各々、測定用増幅器１４，１５に連結されている。測定用増幅器１４，１５はさらに減算器１６に連結されている。当該減算器１６は、データを論理ユニット１７に導く。論理ユニット１７は四つのスイッチ８，１０，１２，１８を制御し、四つのスイッチ８，１０，１２、１８は、アクチュエータの出力エレクトロニクスを形成する。出力エレクトロニクスの制御によって、アーマチュア３が移動され、同時にその位置が測定されうる。本発明による構成によれば、余分なセンサを用いることなく、アクチュエータの位置検知も可能となる。さらに、切り換え過程の間にも位置測定が可能となる。このため、コスト、配置スペースおよび時間を節約することができる。電圧ジャンプは、この実施の形態の場合には、二つのスイッチ位置によって除去される（aufgeschaltet）。第一スイッチ８および第四スイッチ１８、または、第二スイッチ１２および第三スイッチ１０が閉じられる。第一（前者）の場合、第一コイル１の入力部４は電圧供給部６の第一極５に連結され、第二コイル２の出力部１３は電圧供給部６の第二極９に連結される。第二（後者）の場合、第一コイル１の入力部４は電圧供給部６の第二極９に連結され、第二コイル２の出力部１３は電圧供給部６の第一極５に連結される。両コイル１，２が直接互いに連結されるので、両方の場合において、電圧ジャンプが可能となる。好ましい実施の形態において、調整のために、アーマチュア３にはパルス幅変調の信号が作用される。このような信号によれば、常に、電圧が投入ないし遮断されるため、コイル１，２は常に電圧ジャンプで作用を受ける。従って、電圧信号を切り換える瞬間の度に、アーマチュア３の位置が決定される。

図３は、既知のＬＣＲ-発振回路２７の構成を示している。当該ＬＣＲ-発振回路２７で、交流電圧が投入される（Aufschaltung）際のコイル１，２が記述されうる。発振回路の入力部は、コイルの入力部４，１１に相当している。発振回路の出力部は、両コイルの出力部７，１３に相当している。発振回路は、二つの通路（経路）を有する。第一通路は、モデルコイル１９および第一オーム抵抗２０によって記載され、第一交流抵抗３１を形成する。第二通路は、静電容量部２１および第二オーム抵抗２２によって記載され、第二交流抵抗３２を形成している。

図４は、測定用増幅器１４，１５によって両コイル１，２で測定された電圧曲線を示す。第一の瞬間（時点）２８はスイッチの入った瞬間を示し、このとき、両コイル１，２に電圧ジャンプが投入される。これは、モデルとして、無限に高い周波数（ｆ→∞）を有する交流電圧が投入されることによって記載されている。このため、コイル１，２における電圧曲線は、各交流抵抗３１，３２に依存する。第二の瞬間２９（すなわち５ｍｓ）まで、第一電圧曲線２３は、上昇して最大値に至り、第二電圧曲線は最小値へと下降する。第一の瞬間２８までの曲線は、寄生した(

）静電容量部２２の影響に基づいている。これは、コイルの個々の巻きの間の相互作用に基づいて、原理的に（prinzipbedingt）生じる。静電容量部の交流抵抗は、ｆ→∞の場合にゼロへ向かう。静電容量部に充電される間、抵抗が上昇する。第二の瞬間２９から過渡状態（Einschwingvorgang）が始まり、電流がモデルコイル１９を通って第三の瞬間３０（すなわち５０ｍｓ）まで流れる。交流抵抗は、モデルコイル１９のインダクタンスに依存し、当該インダクタンスは、さらに、アーマチュア３の位置に依存する。ここで、アーマチュア３がコイル内に潜り込まれるほど、インダクタンスが高くなる。第三の瞬間３０において、過渡状態が終わり、電圧曲線２３，２４が、両コイル１，２の両オーム抵抗２０だけによって決定される。また、過渡状態の最後で、等しい電流状態に支配される。両コイル１，２の等しい電流抵抗は、好ましい態様で、同じ大きさとなり、両電圧曲線２３，２４の間で、もはや相違が無くなる。図４において、第一電圧曲線２３は、例えば、アーマチュア３がその中に引き込まれた（eingetaucht）ときの第一コイル１の電圧曲線を示す。第二電圧曲線は、第二コイル２内の電圧曲線を示す。

減算器内において、測定された両電圧曲線２３，２４は互いに引かれる。このため、図５に示された第三電圧曲線２５が生じる。第三電圧曲線２５の最大値２６から、論理ユニット１７内で、アーマチュア位置が、例えばそこに置かれた特徴線との比較によって決定される。

アクチュエータの原理図。 永久磁石のアーマチュアを有するアクチュエータの原理図。 ＬＣＲ発振回路の原理図。 両コイルで測定された電圧曲線。 両コイルから計算された電圧曲線。

１ コイル
２ コイル
３ アーマチュア
４ 第一コイルの入力部
５ 電圧供給部の第一極
６ 電圧供給部
７ 第一コイルの出力部
８ 第一スイッチ
９ 電圧供給部の第二極
１０ 第三スイッチ
１１ 第二コイルの入力部
１２ 第二スイッチ
１３ 第二コイルの出力部
１４ 第一測定用増幅器
１５ 第二測定用増幅器
１６ 減算器
１７ 論理ユニット
１８ 第四スイッチ
１９ モデルコイル
２０ 抵抗
２１ 静電容量部
２２ 抵抗
２３ 第一電圧曲線
２４ 第二電圧曲線
２５ 第三電圧曲線
２６ 最大値
２７ ＬＣＲ-発振回路
２８ 第一の瞬間
２９ 第二の瞬間
３０ 第三の瞬間
３１ 第一交流抵抗
３２ 第二交流抵抗

Claims (14)

1. 少なくとも一つのアーマチュア（３）と、
   二つのコイル（１，２）と、
   両コイル（１，２）への突然の電力供給を可能とし、または電力供給を遮断する出力エレクトロニクスと、を備え、
   アーマチュア（３）が両コイル（１，２）の間に移動可能に支持されている電磁アクチュエータにおいて、
   出力エレクトロニクスは、当該出力エレクトロニクスを制御する論理ユニット（１７）に連結され、
   第一コイル（１）の入力部（４）および出力部（７）は、第一コイル（１）の第一電圧曲線（２３）を測定する第一測定用増幅器（１４）に連結され、
   第二コイル（２）の入力部（１１）および出力部（１３）は、第二コイル（２）の第二電圧曲線（２４）を測定する第二測定用増幅器（１５）に連結され、
   両測定用増幅器（１４，１５）は、両電圧曲線（２３，２４）を互いに差し引き、その差から第三電圧曲線（２５）を計算する減算器（１６）に連結され、
   当該減算器（１６）は、論理ユニット（１７）に連結されており、
   論理ユニット（１７）は、第三電圧曲線（２５）の最大値（２６）に応じて、アーマチュア（３）の位置を決定する、
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 出力エレクトロニクスは、少なくとも３つまたは４つのスイッチ（８，１０，１２，１８）を含んでいる、ことを特徴とする請求項１によるアクチュエータ。
3. 論理ユニット（１７）は、μ−コントローラまたはμ−プロセッサからなる、ことを特徴とする請求項１または２のいずれかによるアクチュエータ。
4. 第一コイル（１）の入力部（４）は、電圧供給部（６）の第一極（５）に連結されており、
   第一コイル（１）の出力部（７）は、第一スイッチ（８）を介して電圧供給部（６）の第二極（９）に、および／または、第三スイッチ（１０）を介して第二コイル（２）の入力部（１１）に連結可能であり、
   第二コイル（２）の入力部（１１）は、第二スイッチ（１２）を介して電圧供給部（６）の第一極（５）に、および／または、第三スイッチ（１０）を介して第一コイル（１）に連結可能であり、
   第二コイル（２）の出力部（１３）は、電圧供給部（６）の第二極（９）に連結されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つによるアクチュエータ。
5. 第一コイル（１）の入力部（４）は、第一スイッチ（８）を介して電圧供給部（６）の第一極（５）に、および／または、第二スイッチ（１２）を介して電圧供給部（６）の第二極（９）に連結可能であり、
   第一コイル（１）の出力部（７）は、第二コイル（２）の入力部（１１）に連結されており、
   第二コイル（２）の出力部（１３）は、第三スイッチ（１０）を介して第一極（５）に、および／または、第四スイッチ（１８）を介して電圧供給部（６）の第二極（９）に連結可能である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかによるアクチュエータ。
6. コイル（１，２）のうちの一方のコイルは、時計回りに巻かれており、
   コイル（２，１）のうちの他方のコイルは、反時計回りに巻かれている、ことを特徴とする請求項５によるアクチュエータ。
7. 永久磁石のアーマチュア（３）が、第一コイル（１）および第二コイル（２）の間で移動可能に支持されている、ことを特徴とする請求項５または６によるアクチュエータ。
8. 二つの同じコイルが用いられる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかによるアクチュエータ。
9. 両コイル（１，２）は、突然に急激に増加する電圧で作用され、
   両測定用増幅器（１４，１５）は、両コイル（１，２）における両電圧曲線（２３，２４）を時間をかけて測定し、
   当該測定値は、さらに減算器（１６）に伝達され、
   これら測定値から、第三電圧曲線（２５）が計算され、
   当該第三電圧曲線（２５）は、論理ユニット（１７）内で最大値を認識される、ことを特徴とする請求項１乃至８の少なくともいずれか一つによるアクチュエータを制御するための方法。
10. 論理ユニット（１７）は、出力エレクトロニクスを制御し、
    出力エレクトロニクスによって、両コイル（１，２）は、急激に電圧に作用され、
    両測定用増幅器（１４，１５）は、両コイル（１，２）における両電圧曲線（２３，２４）を時間をかけて測定し、その測定信号（２３，２４）を減算器（１６）にさらに伝達し、
    減算器（１６）は、両電圧曲線（２３，２４）を互いに差し引き、その差から第三電圧曲線（２５）を計算し、
    論理ユニット（１７）は、第三電圧曲線（２５）の最大値（２６）の高さに応じて、アーマチュア（３）の位置を決定する、ことを特徴とする請求項９による方法。
11. 論理ユニット（１７）は、出力エレクトロニクスを、
    第一スイッチ（８）および第二スイッチ（１２）が開かれ、第三スイッチ（１０）が閉じられ、両コイル（１，２）が直列に接続され、第一コイル（１）の入力部（４）が電圧供給部（６）の第一極（５）に連結され、第二コイル（２）の出力部（１３）が電圧供給部（６）の第二極（９）に連結され、両コイル（１，２）が突然に急激に増加する電圧で作用される、
    というように制御し、
    出力エレクトロニクスによって、両コイル（１，２）は、急激に電圧に作用され、
    両測定用増幅器（１４，１５）は、両コイル（１，２）における両電圧曲線（２３，２４）を時間をかけて測定し、その測定信号（２３，２４）を減算器（１６）にさらに伝達し、
    減算器（１６）は、両電圧曲線（２３，２４）を互いに差し引き、その差から第三電圧曲線（２５）を計算し、
    論理ユニット（１７）は、第三電圧曲線（２５）の最大値（２６）の高さに応じて、アーマチュア（３）の位置を決定する、ことを特徴とする請求項４によるアクチュエータを制御するための方法。
12. 論理ユニット（１７）は、第一スイッチ（８）および第四スイッチ（１８）を、
    両スイッチ（８，１８）の各々が閉じられ、従って、第一コイル（１）の入力部（４）が、電圧供給部（６）の第一極（５）に連結され、第二コイル（２）の出力部（１３）が電圧供給部（６）の第二極（９）に連結される、
    ように制御し、
    出力エレクトロニクスによって、両コイル（１，２）は、急激に電圧に作用され、
    両測定用増幅器（１４，１５）は、両コイル（１，２）における両電圧曲線（２３，２４）を時間をかけて測定し、その測定信号（２３，２４）を減算器（１６）にさらに伝達し、
    減算器（１６）は、両電圧曲線（２３，２４）を互いに差し引き、その差から第三電圧曲線（２５）を計算し、
    論理ユニット（１７）は、第三電圧曲線（２５）の最大値（２６）の高さに応じて、アーマチュア（３）の位置を決定する、ことを特徴とする請求項５乃至７の少なくともいずれか一つによるアクチュエータを制御するための方法。
13. 論理ユニット（１７）は、第二スイッチ（１２）および第三スイッチ（１０）を、
    両スイッチ（１２，１０）の各々が閉じられ、第一コイル（１）の入力部（４）が電圧供給部（６）の第二極（９）に連結され、第二コイル（２）の出力部（１３）が電圧供給部（６）の第一極（５）に連結される、
    というように制御し、
    出力エレクトロニクスによって、両コイル（１，２）は、急激に電圧に作用され、
    両測定用増幅器（１４，１５）は、両コイル（１，２）における両電圧曲線（２３，２４）を時間をかけて測定し、その測定信号（２３，２４）を減算器（１６）にさらに伝達し、
    減算器（１６）は、両電圧曲線（２３，２４）を互いに差し引き、その差から第三電圧曲線（２５）を計算し、
    論理ユニット（１７）は、第三電圧曲線（２５）の最大値（２６）の高さに応じて、アーマチュア（３）の位置を決定する、ことを特徴とする請求項５乃至７の少なくともいずれか一つによるアクチュエータを制御するための方法。
14. アーマチュア（３）は、論理ユニット（１７）によって、出力エレクトロニクスを介して、パルス幅変調信号で作用される、ことを特徴とする請求項１２または１３による方法。

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