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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING AN ARMATURE END POSITION OF AN ELECTROMAGNETIC ACTUATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/025038
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for monitoring an armature end position of an electromagnetic actuator having an exciter coil (1) and having an armature able to move between a start position and an end position relative to the exciter coil (1), wherein -- an operating voltage that determines the position of the armature is applied to the exciter coil (1), - the operating voltage is overlaid with a voltage pulse that causes a reversible change in current of the coil current that does not change the position of the armature, the temporal voltage and current profile (u (t), i (t)) initiated by the voltage pulse is measured at the exciter coil (1), a Ψ(i) characteristic curve in the form of a hysteresis loop (H) is determined from the voltage and current profile (u (t), i (t)), the flux amplitude (A) and/or the area (F) of the hystereis loop (H) of the Ψ(i) characteristic curve are/is determined, - for the flux amplitude (A) and/or the area (F) of the hysteresis loop (H), in each case at least one reference value (A1,...A4, F1 - F4) or at least one reference value (A1 - A4, F1 -F4) is provided, and, by comparing the acquired flux amplitude (A) and/or area (F) of the hysteresis loop with the respective reference value (A1,... A4, F1,... F4) or with the reference value (A1 - A4, F1 - F4), a permissible or impermissible armature end position is determined.

Inventors:
GADYUCHKO, Andrey (Bertolt-Brecht-Str. 17, Ilmenau, 98693, DE)
KIREEV, Vladimir (Otto-Hahn-Str. 19, Ilmenau, 98693, DE)
Application Number:
EP2018/059457
Publication Date:
February 07, 2019
Filing Date:
April 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ILMENAUER MECHATRONIK GMBH (Werner-von-Siemens-Str. 12, Ilmenau, 78048, DE)
International Classes:
H01F7/18; G01R31/06
Domestic Patent References:
WO2001006162A22001-01-25
Foreign References:
DE102008040250A12010-01-14
DE102008001397A12009-10-29
EP1165944A12002-01-02
EP1165944B12006-05-17
DE102011075935A12012-11-22
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE WESTPHAL MUSSGNUG & PARTNER (Am Riettor 5, Villingen-Schwenningen, 78048, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Verfahren zur Ankerendlagenüberwachung eines elektromag¬ netischen Aktors mit einer Erregerspule (1) und mit einem relativ zur Erregerspule (1) zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbaren Anker, bei welchem

- eine die Position des Ankers bestimmende Betriebsspan¬ nung an die Erregerspule (1) angelegt wird,

der Betriebsspannung ein Spannungsimpuls überlagert wird, welcher eine die Position des Ankers nicht verän¬ dernde reversible Stromänderung des Spulenstromes verur¬ sacht ,

der von dem Spannungsimpuls initiierte zeitliche Span- nungs- und Stromverlauf (u (t ) , i (t) ) an der Erregerspule ( 1 ) gemessen wird,

eine als Hystereseschleife (H) ausgebildete Ψ(ί)-Κθηηϋ- nie aus dem Spannungs- und Stromverlauf (u(t), i (t) ) be¬ stimmt wird,

- die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hys¬ tereseschleife (H) der Ψ(ί)-Kennlinie ermittelt wer¬ den/wird,

- für die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hystereseschleife (H) jeweils wenigstens ein Referenzwert (AI A4 , Fl - F4 ) bzw . wenigstens ein Referenzwert (AI ,

... A4 , Fl , ... F4 ) bereitgestellt wird, und

durch Vergleich der ermittelten Flußamplitude (A) und/oder Fläche (F) der Hystereseschleife mit dem jewei¬ ligen Referenzwert (AI - A4 , Fl - F4 ) bzw . mit dem Refe¬ renzwert (AI A4 , Fl F4 ) eine zulässige oder nicht zu¬ lässige Ankerlage bestimmt wird . Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem

erste Referenzwerte (AI , Fl ) für die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hystereseschleife (H) in der Startposition des Ankers einer unbestromten Erregerspule ermittelt werden, und

eine zulässige Ankerendlage erkannt wird, wenn die er¬ mittelte Flußamplitude (A) und/oder Fläche (F) der Hyste¬ reseschleife (H) mit den ersten Referenzwerten (AI , Fl ) bei unbestromter Erregerspule übereinstimmt , ansonsten eine nicht zulässige Ankerendlage erkannt wird .

Verfahren nach Anspruch 2 , bei welchem als zulässige An¬ kerendlage die Startposition des Ankers erkannt wird .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem

- zweite Referenzwerte (A2, F2 ) für die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hystereseschleife (H) in der Startposition des Ankers bei einer bestromten Erreger¬ spule ermittelt werden, und

als nicht zulässige Ankerendlage die Startposition des

Ankers erkannt wird, wenn die ermittelte Flußamplitude (A) und/oder Fläche (F) der Hystereseschleife (H) mit den zweiten Referenzwerten (A2 , F2 ) bei bestromter Erreger¬ spule übereinstimmt .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem

- dritte Referenzwerte (A3 , F3 ) für die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hystereseschleife (H) in der Endposition des Ankers einer bestromten Erregerspule er¬ mittelt werden, und - eine zulässige Ankerendlage erkannt wird, wenn die er¬ mittelte Flußamplitude (A) und/oder Fläche (F) der Hyste¬ reseschleife (H) mit den dritten Referenzwerten (A3 , F3 ) bei bestromter Erregerspule übereinstimmt , ansonsten eine nicht zulässige Ankerendlage erkannt wird .

Verfahren nach Anspruch 5 , bei welchem die Endposition des Ankers als zulässige Ankerendlage erkannt wird .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem

- vierte Referenzwerte (A4 , F4 ) für die Flußamplitude (A) und/oder die Fläche (F) der Hystereseschleife (H) in der Endposition des Ankers bei einer unbestromten Erreger¬ spule ermittelt werden, und

- als nicht zulässige Ankerendlage die Endposition des Ankers erkannt wird, wenn die ermittelte Flußamplitude

(A) und/oder Fläche (F) der Hystereseschleife (H) mit den vierten Referenzwerten (A4 , F4 ) bei unbestromter Erreger¬ spule übereinstimmt .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem bei einer Nichtbestromung der Erregerspule der Spannungsimpuls derart ausgebildet wird, dass die Amplitude der reversiblen Stromänderung kleiner als ein Anzugstrom ist , mit welchem die Erregerspule zum Bewegen des Ankers in die Endposition bestrombar ist .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem bei einer Bestromung der Erregerspule der Span¬ nungsimpuls derart ausgebildet wird, dass die Amplitude der reversiblen Stromänderung kleiner als die Differenz zwischen dem Haltestrom und einem zum Bewegen des Ankers in die Startposition führenden Abfallstrom ist.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem elektromagnetischen Ak¬ tor, der eine Erregerspule (1) aufweist , welche an eine Betriebsspannung angeschlossen ist sowie mit einem Span- nungsimpulsgenerator zum Überlagern eines Spannungsimpul¬ ses der Betriebsspannung sowie einer AusWerteeinrichtung zum Bestimmen, ob sich der Anker in seiner Endlage befin¬ det oder nicht .

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Ankerendlagenüberwachung eines elektromagnetischen Aktors

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ankerendlagenüberwachung eines elektromagnetischen Aktors mit einer Erregerspule und mit einem relativ zur Erregerspule zwischen einer Startposi ¬ tion und einer Endposition bewegbaren Anker sowie eine Vor ¬ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens . Elektromagnetische Aktoren sind als Magnetventile, elektromag ¬ netische Bremsen, Relais usw . bekannt . Ein solcher elektromag ¬ netischer Aktor umfasst einen Magnetkreis mit einer Erreger ¬ spule und einem gegenüber der Erregerspule zwischen einer Startposition und einer Endposition in einem Ankerraum ver- schiebbar angeordneten Anker . Der Magnetkreis umfasst einen Polkern, an welchen der Anker anschlägt , wenn bei einer

Bestromung der Erregerspule der Anker aus der Startposition in die Endposition bewegt wird . Manche Anwendungen erfordern die Überwachung des Aktors hinsichtlich der Position von dessen Anker, ob dieser tatsächlich die erwünschte Position erreicht hat oder ob eine Fehlfunktion vorliegt . Dabei ist insbesondere wichtig zu wissen, ob sich der Anker korrekt in seiner Aus ¬ gangslage, d.h. Startposition, oder Endposition, d.h. Endlage befindet .

Stand der Technik sind Anordnungen und Verfahren zur Bestim ¬ mung der Ankerlage bekannt , bei welchen Sensoren, wie bspw . Differentialtransformatoren (LVDT) , AMR-, Wirbelstrom- und Halssensoren eingesetzt werden . Solche Bauelemente verursachen jedoch zusätzliche Kosten, erfordern einen erhöhten Bauraumbe ¬ darf stellen ein zusätzliches Ausfallrisiko dar . Es sind auch sensorlose Verfahren zur Bestimmung der An ¬ kerstart- und Ankerendposition bekannt , wie bspw. aus der EP 1 165 944 Bl . Bei diesem bekannten Verfahren wird die Posi ¬ tion des Ankers in Abhängigkeit vom magnetischen Fluss und dem Strom durch die Erregerspule bestimmt .

Aus der DE 10 2011 075 935 B4 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Funktions zuständen eines elektromagnetischen Aktors be ¬ kannt , bei welchem der Funktions zustand anhand eines Ver- gleichs zwischen einem magnetischen Referenzkennlinie und ei ¬ ner magnetischen Ist-Kennlinie ermittelt wird . Die magnetische Referenzkennlinie beschreibt einen verketteten magnetischen Soll-Fluss in Abhängigkeit einer Stromstärke . Die magnetische Ist-Kennlinie beschreibt einen verketteten magnetischen Ist- Fluss in Abhängigkeit der Stromstärke, wobei der verkettete magnetische Ist-Fluss aus einer Strom- und Spannungsmessung im Regelkreis des Magnetfelds während des Betriebs des Aktors er ¬ mittelt wird . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren zur

Ankerlagenüberwachung nämlich insbesondere zum Ankerstartposi- tionsüberwachung und zu Ankerendpositionsüberwachung eines elektromagnetischen Aktors mit einer Erregerspule und mit ei ¬ nem relativ zur Erregerspule zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbaren Anker anzugeben, mit welchem ohne Verwendung von Sensoren eine zulässige oder nicht zulässige Position des Ankers bestimmbar ist . Des Weiteren soll eine hierfür geeignete Vorrichtung angegeben werden . Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma ¬ len des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merk ¬ malen des Anspruchs 10. Dieses Verfahren zur Ankerendlagenüberwachung eines elektro ¬ magnetischen Aktors mit einer Erregerspule und mit einem rela ¬ tiv zur Erregerspule zwischen einer Startposition und einer Endposition bewegbaren Anker zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus , dass

- eine die Position des Ankers bestimmende Betriebsspannung an die Erregerspule angelegt wird,

- der Betriebsspannung ein Spannungsimpuls überlagert wird, welcher eine die Position des Ankers nicht verändernde rever- sible Stromänderung des Spulenstromes verursacht ,

der von dem Spannungsimpuls initiierte zeitliche Spannungs ¬ und Stromverlauf an der Erregerspule gemessen wird,

- eine als Hystereseschleife ausgebildete (i)-Kennlinie aus dem Spannungs- und Stromverlauf bestimmt wird,

- die Flußamplitude und/oder die Fläche der Hystereseschleife der Ψ(ί)-Kennlinie ermittelt werden/wird,

- für die Flußamplitude und/oder die Fläche der Hysterese ¬ schleife jeweils wenigstens ein Referenzwert bzw . wenigstens ein Referenzwert bereitgestellt wird, und

- durch Vergleich der ermittelten Flußamplitude und/oder Flä ¬ che der Hystereseschleife mit dem jeweiligen Referenzwert bzw . mit dem Referenzwert eine zulässige oder nicht zulässige An ¬ kerendlage oder AnkerStartposition bestimmt wird . Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt die Notwendig ¬ keit zusätzlicher Sensoren, wie bspw . Endlagenschalter, Weg ¬ bzw . Hallsensoren sowie deren Integration in den elektromagne ¬ tischen Aktor . Durch den Verzicht auf die Sensoren können elektromagnetische Aktoren konstruktiv vereinfacht werden, wodurch der benötigte Bauraum und die Kosten deutlich redu ¬ ziert sind . Die Funktion dieser Sensoren wird durch eine Ansteuerung, Mes ¬ sung und Auswertung von Strom- und Spannungswerten in der Er ¬ regerspule des elektromagnetischen Aktors ersetzt . Die Ansteuerung der Erregerspule erfolgt mittels eines Span ¬ nungsimpulses kleiner Amplitude auf dem Niveau der aktuell an ¬ gelegten Betriebsspannung, die Null oder von Null verschieden sein kann . Ein solcher kurzer Spannungsimpuls führt zu einer ebenso kurz zeitigen Stromänderung, d . h . eine reversible Stro- mänderung des Spulenstromes der Erregerspule mit einer gleich ¬ zeitigen Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors . Die Amplitude eines solchen kurz ¬ zeitigen Spannungsimpulses ist so niedrig wie möglich, jedoch so hoch wie nötig zu wählen, um gut messbare Stromänderungen zu erzeugen, ohne dass gleichzeitig die Funktion des elektro ¬ magnetischen Aktors beeinflusst , d. h . eine Bewegung des An ¬ kers initiiert wird . Die Dauer des Spannungsimpulses richtet sich nach der elektrischen Zeitkonstante des elektromagneti ¬ schen Aktors mit dem Kriterium, dass der elektrische Aus- gleichsvorgang abgeschlossen ist .

Der Spannungsimpuls verursacht eine schwache Ummagnetisierung des ferromagnetisehen Werkstoffes des Magnetkreises , die sich in der aus dem zeitlichen Spannungs- und Stromverlauf erstell- ten Ψ(ί)-Kennlinie als Hystereseschleife darstellt und die die von dem Spannungsimpuls hervorgerufenen Magnetflussänderungen im Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors abbildet . Hier ¬ bei nut zt das erfindungsgemäße Verfahren zwei physikalische Effekte des weichmagnetischen Materials des Magnetkreises des elektromagnetischen Aktors , nämlich die Nichtlinearität des magnetischen Flusses sowie die UmmagnetisierungsVerluste bzw . Hystereseverluste im Sinne von inhärenten sensorischen Eigen- Schäften. Daher kann die vorhandene Erregerspule des elektro ¬ magnetischen Aktors ohne jegliche Veränderung als Sensor er ¬ findungsgemäß betrieben werden.

Die Hystereseschleifen der aus dem zeitlichen Spannungs- und Stromverlauf erstellten (i)-Kennlinie sind von der Ankerposi ¬ tion abhängig, also von dem Luftspalt zwischen dem Anker und dem Polkern des elektromagnetischen Aktors . Diese Hysterese ¬ schleifen unterscheiden sich sowohl in der Höhe aufgrund der Nichtlinearität des magnetischen Flusses als auch im Flächen ¬ inhalt aufgrund der Ummagnetisierungs- und WirbelStromver ¬ luste . Diese Korrelation zwischen der Ankerposition in den Endlagen, d . h . in der Start- und Endposition und der Form der Hystereseschleifen wird zur Ankerendlagenüberwachung verwen ¬ det , um eine zulässige oder eine nicht zulässige Anker-Start ¬ position oder Ankerendlage zu bestimmen .

Die erfindungsgemäße Ankerlagenüberwachung des elektromagneti- sehen Aktors kann in kurzen Zeitabständen durchgeführt werden, so dass eine kontinuierliche Online-Überwachung ermöglicht wird .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vor ¬ gesehen, dass

erste Referenzwerte für die Flußamplitude und/oder die Flä ¬ che der Hystereseschleife in der Startposition des Ankers ei ¬ ner unbestromten Erregerspule ermittelt werden, und

eine zulässige Ankerlage erkannt wird, wenn die ermittelte

Flußamplitude und/oder Fläche der Hystereseschleife mit den ersten Referenzwerten bei unbestromter Erregerspule überein ¬ stimmt , ansonsten eine nicht zulässige Ankerlage erkannt wird . Diese ersten Referenzwerte für die Flußamplitude und/oder die Fläche der Hystereseschleifen werden in der Startposition des Ankers einer unbestromten Erregerspule eines gattungsgleichen elektromagnetischen Aktors bestimmt , wobei diese Referenzwerte mittels einer Kalibrierung an die spezifischen individuellen Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Aktors ange- passt werden können . Vorzugsweise wird die Startposition des Ankers als zulässige Ankerendlage oder AnkerStartposition er ¬ kannt .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zweite Referenzwerte für die Flußamplitude und/oder die Fläche der Hystereseschleife in der Startposition des Ankers bei ei ¬ ner bestromten Erregerspule ermittelt , wobei als nicht zuläs- sige Ankerlage die Startposition des Ankers erkannt wird, wenn die ermittelte Flußamplitude und/oder Fläche der Hysterese ¬ schleife mit den zweiten Referenzwerten bei bestromter Erre ¬ gerspule übereinstimmt . Dieser Fall tritt bspw . auf, wenn der Anker in der Startposition wegen unzulässig aufgetretener KraftWirkungen klemmt , so dass eine Bewegung in die Endposi ¬ tion verhindert wird .

Zur Bestimmung dieser zweiten Referenzwerte wird der Anker ei ¬ nes gattungsgleichen elektromagnetischen Aktors während der Bestromung der Erregerspule in dessen Startposition festgehal ¬ ten und in diesem Zustand die von dem Spannungsimpuls initi ¬ ierten Spannungs- und Stromwerte zur Bestimmung der Ψ(ί)-Κθηη- linie gemessen . Auch diese zweiten Referenzwerte können mit ¬ tels einer Kalibrierung an die spezifischen individuellen Ei- genschaften des verwendeten elektromagnetischen Aktors ange- passt werden . Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass

- dritte Referenzwerte für die Flußamplitude und/oder die Flä ¬ che der Hystereseschleife in der Endposition des Ankers einer bestromten Erregerspule ermittelt werden, und

- eine zulässige Ankerendlage erkannt wird, wenn die ermit ¬ telte Flußamplitude und/oder Fläche der Hystereseschleife mit den dritten Referenzwerten bei bestromter Erregerspule über ¬ einstimmt , ansonsten eine nicht zulässige Ankerendlage erkannt wird.

Diese dritten Referenzwerte für die Flußamplitude und/oder die Fläche der Hystereseschleifen werden in der Endposition des Ankers einer bestromten Erregerspule eines gattungsgleichen elektromagnetischen Aktors bestimmt , wobei diese dritten Refe ¬ renzwerte mittels einer Kalibrierung an die spezifischen indi ¬ viduellen Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Aktors angepasst werden können . Vorzugsweise wird die Endposi ¬ tion des Ankers als zulässige Ankerendlage erkannt .

Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu ¬ folge werden vierte Referenzwerte für die Flußamplitude und/o- der die Fläche der Hystereseschleife in der Endposition des Ankers bei einer unbestromten Erregerspule ermittelt , wobei als nicht zulässige Ankerendlage die Endposition des Ankers erkannt wird, wenn die ermittelte Flußamplitude und/oder Flä ¬ che der Hystereseschleife mit den vierten Referenzwerten bei unbestromter Erregerspule übereinstimmt . Dieser Fall bei un- bestromter Erregerspule tritt bspw . auf, wenn der Anker in der Endposition wegen unzulässig aufgetretener KraftWirkungen klemmt , so dass eine Bewegung zurück in die Startposition ver ¬ hindert wird . Zur Bestimmung dieser vierten Referenzwerte wird der Anker ei ¬ nes gattungsgleichen elektromagnetischen Aktors bei unbestrom- ter Erregerspule in dessen Endposition festgehalten und in diesem Zustand die von einem Spannungsimpuls initiierten Span- nungs- und Stromwerte zur Bestimmung der (i)-Kennlinie gemes ¬ sen . Auch diese vierten Referenzwerte können mittels einer Ka ¬ librierung an die spezifischen individuellen Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Aktors angepasst werden .

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spannungsimpuls derart ausgebildet , dass bei einer Nichtbestromung der Erregerspule die Amplitude der reversiblen Stromänderung kleiner als ein Anzugstrom ist , mit welchem die Erregerspule zum Bewegen des Ankers in die Endposition

bestrombar ist . Mit einem solchen Spannungsimpuls ist sicher ¬ gestellt , dass bei einer nichtbestromten Erregerspule der dadurch hervorgerufene Spulenstrom keine Bewegung des Ankers verursacht .

Schließlich ist nach einer letzten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass bei einer Bestromung der Erre ¬ gerspule der Spannungsimpuls derart ausgebildet wird, dass die Amplitude der reversiblen Stromänderung kleiner als die Diffe ¬ renz zwischen dem Haltestrom und einem zum Bewegen des Ankers in die Startposition führenden Abfallstrom ist . Mit einem sol ¬ chen Spannungsimpuls ist sichergestellt , dass die von dem Spannungsimpuls verursachte Stromänderung nicht zu einem Ab ¬ sinken des Spulenstromes unter den Haltestrom führt , mit wel ¬ chem der Anker der Endposition gehalten wird .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len unter Bezugnahme auf die b< igefügten Figuren ausführlich beschrieben . Es zeigen : Figur 1 eine Steuerschaltung zur Steuerung eines elektromag ¬ netischen Aktors ,

Figur 2 ein A laufdiagramm zur Durchführung des erfindungsge ¬ mäßen Verfahrens ,

Figur 3 ein Diagramm mit hystereseförmigen Ψ(ί)-Kennlinien in

Abhängigkeit der Position eines Ankers eines elektro ¬ magnetischen Aktors ,

Figur 4 ein Diagramm der Flußänderungen der in Figur 1 darge ¬ stellten hystereseförmigen Ψ(ί)-Kennlinien, und

Figur 5 ein Diagramm der Flächen der in Figur 1 dargestellten hystereseförmigen Ψ(ί)-Kennlinien .

Die erfindungsgemäße Anderendlagenuberwachung wird beispiel ¬ haft an einem elektromagnetischen Aktor erläutert , welcher eine Erregerspule mit einem Magnetkreis , einen in einem Anker ¬ raum zwischen einer Startposition und einer Endposition gegen ¬ über der Erregerspule verschiebbaren Anker und einen in dem Magnetkreis angeordneten Polkern aufweist . Dabei ist unter An ¬ kerendlagenüberwachung nicht nur die Überwachung der Endlage des Ankers , sondern auch die Überwachung der Startposition des Ankers zu verstehen .

Der Begriff „Ankerendlage" umfasst deshalb im Folgenden nicht nur die Endlage, sondern auch die Startposition des Ankers .

In der Startposition ist der Abstand des Ankers zum Polkern, also der Luftspalt maximal , während in der Endposition des An- kers der Abstand zum Polkern, also der Luftspalt minimal ist . Im unbestromten Zustand wird der Anker mittels eines Federele ¬ mentes in der Startposition fixiert. Mit dem Anlegen einer Be ¬ triebsspannung UB an die Erregerspule wird ein Spulenstrom er ¬ zeugt, welcher ein Verschieben des Ankers gegen die Federkraft des Federelementes aus der Startposition in die Endposition bewirkt . Der Spulenstrom wird auf einen Haltestrom abgesenkt , mit welchem der Anker gegen die Federkraft des Federelementes in der Endposition gehalten wird . Eine SteuerSchaltung 10 zur Steuerung eines solchen elektro ¬ magnetischen Aktors sowie zur Durchführung der erfindungsgemä ¬ ßen Ankerendlagenüberwachung desselben zeigt Figur 1, welcher lediglich schematisch als Erregerspule 1 eines elektromagneti ¬ schen Aktors dargestellt ist .

Diese SteuerSchaltung 10 besteht aus einem MikroController 11 mit einem ersten Ausgang DOl und mit einem zweiten Ausgang D02 , einem ersten Eingang Dil und zwei A/D-Eingängen A/Dl und A/D2. Mittels des ersten Ausgangs DOl des Mikrocontrollers 11 wird eine Treiberschaltung 12 gesteuert , mit welcher eine Be ¬ triebsspannung UB an die Erregerspule 1 angelegt wird . Die an der Erregerspule 1 anliegende Betriebsspannung u(t) wird auf den ersten A/D-Eingang DOl des MikroController 11 geführt und von derselben erfasst und gemessen . Ebenso wird der Spulen- ström i (t ) mittels eines ShuntwiderStandes R gemessen, indem der erzeugte Spannungsabfall Ui (t ) dem zweiten A/D-Eingang D02 des Mikrocontrollers 11 zur Auswertung zugeführt wird . Über den ersten Eingang Dil wird ein Einschalt- oder Ausschaltbe ¬ fehl dem MikroController 11 zugeführt . Der zweite Ausgang D02 zeigt das Ergebnis der Ankerendlagenüberwachung an, ob nämlich eine zulässige Ankerendlage „OK" oder eine nicht zulässige An ¬ kerendlage „NOK" vorliegt . Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anderendlagenüberwachung des elektromagnetischen Aktors mit der in der SteuerSchaltung 10 nach Figur 1 dargestellten Erregerspule 1 wird nachfolgend anhand des Ablaufdiagramm es nach Figur 2 beschrieben .

Mit einem ersten Verfahrensschritt Sl wird ein Einschalt- oder Ausschaltbefehl der SteuerSchaltung 10 zugeführt . Liegt gemäß Verfahrensschritt S2 ein Ausschaltbefehl „Off" vor, ist die Erregerspule 1 unbestromt , d . h . , an derselben liegt eine Be- triebsSpannung von 0 V an . In diesem Fall wird gemäß Verfah ¬ rensschritt S3 ein Spannungsimpuls als Testimpuls 1 erzeugt , der der Betriebsspannung überlagert wird . Dies führt in der Erregerspule 1 zu einer kurz zeitigen Stromänderung mit gleich ¬ zeitiger Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors . Hierbei ist die Amplitude des

Spannungsimpulses so gewählt , dass die dadurch hervorgerufene Stromänderung messbar ist , jedoch diese Stromänderung die Funktion des elektromagnetischen Aktors nicht beeinflusst , d. h . keine Bewegung des Ankers bewirkt . Hierzu muss die Bedin- gung erfüllt sein, dass die Amplitude der Stromänderung deut ¬ lich niedriger ist als der Anzugstrom, welcher eine Bewegung des Ankers bewirkt . Die Amplitude des Testimpulses 1 ist so gewählt , dass eine Stromänderung von Δί, z . B . 0,2 A auftritt . Liegt gemäß Verfahrensschritt S2 ein Einschaltbefehl ,,ΟΝ" vor, ist die Erregerspule 1 bestromt , d . h . , an derselben liegt eine Betriebsspannung von ungleich 0 V an, die bspw . einen Spulenstrom von imax, z . B . 0,8 A verursacht . In diesem Fall wird gemäß Verfahrensschritt S4 ein Spannungsimpuls als Tes- timpuls 2 erzeugt , der der Betriebsspannung überlagert wird . Dies führt in der Erregerspule 1 zu einer kurz zeitigen Stro ¬ mänderung mit gleichzeitiger Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors . Hierbei ist die Amplitude des Spannungsimpulses so gewählt, dass die dadurch hervorgerufene Stromänderung messbar ist, jedoch diese Stro ¬ mänderung die Funktion des elektromagnetischen Aktors nicht beeinflusst , d . h . keine Bewegung des Ankers bewirkt . Hierzu muss die Bedingung erfüllt sein, dass die Amplitude der Stro ¬ mänderung der Differenz zwischen einem den Anker in seiner Po ¬ sition haltenden Haltestrom und einem eine Bewegung des Ankers auslösender Abfallstrom entspricht . Die Amplitude des Testim ¬ pulses 2 ist so gewählt , dass eine Stromänderung von Δί, z. B . 0,2 A auftritt .

Die Dauer dieser Testimpulse 1 und 2 richtet sich nach der elektrischen Zeitkonstante des elektromagnetischen Aktors mit dem Kriterium, dass der elektrische Ausgleichsvorgang abge- schlössen ist .

Der durch den Spannungsimpuls bzw . den Testimpuls 1 bzw . 2 an der unbestromten bzw . bestromten Erregerspule 1 bewirkten zeitlichen Spannungs- und Stromverläufe u(t) und i (t) werden zur Messung gemäß den Verfahrensschritt S5 den A/D-Eingängen A/Dl und A/D2 des MikroControllers 11 zugeführt .

Die Testimpulse 1 und 2 verursachen eine schwache Ummagneti- sierung des ferromagnetisehen Werkstoffes aus welchem der Mag- netkreis des elektromagnetischen Aktors aufgebaut ist , die in jeweils einer Ψ(ί)-Kennlinie als Hystereseschleife H abgebildet wird, wie dies beispielhaft in Figur 3 dargestellt ist . Diese Ψ(ί)-Kennlinien werden mittels der in Verfahrensschritt S5 ge ¬ messenen zeitlichen Spannungs- und Stromverläufen u (t ) und i (t ) sowohl bei unbestromter als auch bei bestromter Erreger ¬ spule 1 in einem Verfahrensschritt S 6 erstellt und anschlie ¬ ßend in einem nachfolgenden Verfahrensschritt S7 ausgewertet . Die Form dieser Hystereseschleifen H, die durch die Flussände ¬ rung und den Flächeninhalt gegeben ist, hängt von der Position des Ankers relativ zur Erregerspule 1 ab, ist also luftspalt ¬ abhängig . Die Auswertung dieser Hystereseschleifen H in Ver ¬ fahrensschritt S7 besteht daher in einer Bestimmung eines Ma ¬ ßes für die Flussänderung, nämlich der Amplitude A einer Hys ¬ tereseschleife H (vgl . Figur 3 ) und deren Flächeninhalt F. Die Amplitude A ist in der Maßeinheit des magnetischen Flusses Ψ in Abhängigkeit der Position des Ankers , nämlich des Hubes des Ankers in Figur 4 dargestellt . Die Figur 5 zeigt die Fläche F der Hystereseschleifen H als Ummagnetisierungsverlust in der entsprechenden Maßeinheit J.

Sind diese Größen, nämlich die Werte für die Amplitude A der durch die zugehörige Hystereseschleife H angezeigten Flussän ¬ derung A sowie für die Fläche F der zugehörigen Hysterese ¬ schleife H ermittelt , werden diese Werte einem Vergleich mit Referenzwerten unterzogen, um festzustellen, ob die diesen Werten zugrundeliegende Ankerendlage zulässig oder nicht zu- lässig ist , also von dem MikroController 11 der Zustand „OK"

(= in Ordnung) oder der Zustand „NOK" (= nicht in Ordnung) an ¬ gezeigt wird.

Diese Referenzwerte werden mittels eines gattungsgleichen elektromagnetischen Aktors erstellt , indem Testimpulse 1 und 2 in jeweils den Endlagen des Ankers , also in der Startposition und der Endposition bei bestromter und unbestromter Erreger ¬ spule 1 dem bestehenden Spannungsniveau an der Erregerspule 1 überlagert werden, die Spannungs- und Stromverläufe u(t) und i (t ) erfasst und hieraus die (i)-Kennlinien in Form von Hyste ¬ reseschleifen Hl bis H4 erstellt werden . Solche Ψ(ί)-Kennlinien sind in dem I- Ψ—Diagramm nach Figur 3 dargestellt und weisen jeweils die Form einer Hysterese ¬ schleife auf . Die Hystereseschleifen Hl und H4 sind aus den Spannungs- und Stromverläufen u (t ) und i (t) bei nicht bestrom- ter Erregerspule 1 und die Hystereseschleifen H2 und H3 aus den Spannungs- und Stromverläufen u (t ) und i (t) bei bestromter Erregerspule 1 erstellt .

Diese Hystereseschleifen Hl bis H4 unterscheiden sich sowohl in der Amplitude AI bis A4 aufgrund der Nichtlinearität des magnetischen Flusses als auch im Flächeninhalt Fl bis F4 auf ¬ grund von Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten .

Die Hystereseschleife Hl entspricht der Startposition des An- kers bei unbestromter Erregerspule 1 , die Hystereseschleife H2 entspricht der Startposition des Ankers bei bestromter Erre ¬ gerspule 1 , die Hystereseschleife H3 entspricht der Endposi ¬ tion des Ankers bei bestromter Erregerspule und die Hysterese ¬ schleife H4 entspricht der Endposition des Ankers bei un- bestromter Erregerspule .

Befindet sich der Anker funktionsgemäß in seiner Startposition bei unbestromter Erregerspule 1 , wird mit dem Bestromen der Erregerspule 1 der Anker mittels des von der Erregerspule 1 erzeugten Magnetfeldes in die Endposition gezogen und schlägt dabei an den Polkern an . In dieser Endposition wird der Anker durch weitere Bestromung der Erregerspule mittels eines Hal ¬ testroms gehalten . Wird die Bestromung beendet , fällt der An ¬ ker vom Polkern ab und wird mittels eines Federelementes in dessen Startposition gedrückt . Damit gibt es zwei „OK"-Zustände, nämlich einerseits die

Startposition des Ankers bei unbestromter Erregerspule und ei ¬ ner durch die Federkraft des Federelementes bewirkten Rast ¬ stellung und andererseits die Endposition des Ankers bei bestromter Erregerspule und einer durch die Magnetkraft be ¬ wirkten RastStellung .

Neben diesen zwei „OK"-Zuständen gibt es zwei „NOK"-Zustände, nämlich die Startposition des Ankers bei bestromter Erreger- spule und die Endposition des Ankers bei unbestromter Erreger ¬ spule . Diese Zustände könnten aufgrund einer Klemmung des An ¬ kers in der Start- oder Endposition aufgrund aufgetretener un ¬ zulässigen KraftWirkungen begründet sein . Ursächlich hierfür könnten mechanische Reibkräfte, durch hohen Druck oder höhere Viskosität erzeugte fluidische Kräfte, die Ankerbewegungen be ¬ grenzende oder blockierenden Verschmut zungen usw .

Um die Hystereseschleifen H2 und H4 , die den beiden „NOK"-Zu- ständen entsprechen, zu erzeugen, werden der Anker bei

bestromter Erregerspule in der Startposition und der Anker bei nicht bestromter Erregerspule in der Endposition festgehalten .

Aus diesen Hystereseschleifen Hl bis H4 wird jeweils das Maß für die Flussänderung, nämlich deren Amplitude AI bis A4 (vgl. Figur 4 , Kurven Kl und K2 ) als Referenzwerte und deren Flä ¬ cheninhalt Fl bis F4 (Figur 5 , Kurven) als Referenzwerte be ¬ stimmt .

Die Kurve Kl nach Figur 4 beschreibt bei unbestromter Erreger- spule 1 die Flussänderung ausgehend von der Startposition

(Wert AI , erster Referenzwert ) bis zur Endposition (Wert A4 , vierter Referenzwert ) , wobei die Kurve Kl diese beiden Eck- werte verbindet. Die Kurve K2 beschreibt bei bestromter Erre ¬ gerspule 1 die Flussänderung in der Startposition (Wert A2 , zweiter Referenzwert ) und in der Endposition (Wert A3 , dritter Referenzwert ) , wobei auch diese Kurve K2 diese beiden Eckwerte verbindet .

Die Kurve K3 nach Figur 5 beschreibt bei unbestromter Erreger ¬ spule 1 die Flächenänderung der Hystereseschleife ausgehend von der Startposition (Wert Fl , erster Referenzwert ) bis zur Endposition (F4 , vierter Referenzwert) , wobei die Kurve K3 diese Eckwerte verbindet . Die Kurve K4 beschreibt bei bestrom ¬ ter Erregerspule 1 die Flächenänderung der Hystereseschleife ausgehend von der Startposition (Wert F2 , zweiter Referenz ¬ wert ) bis zur Endposition (F3 , dritter Referenzwert ) , wobei auch diese Kurve K3 diese beiden Eckwerte verbindet .

Diese derart erstellten Referenzwerte gemäß den Figuren 4 und 5 für die Flussänderungen sowie für die Flächen der Hysterese ¬ schleifen Hl bis H4 werden in einem Speicher des Mikrocontrol- ler los 11 der SteuerSchaltung 10 abgelegt und in dem Verfah ¬ rensschritt S7 mit den aktuellen Werten verglichen .

Wenn die aktuell ermittelten Messwerte für die Flussänderung A und die Fläche F der ermittelten Hystereseschleife H mit einer der als Referenzwerte dienenden Amplitudenwerten AI bis A4 (vgl . Figur 4 ) und Flächenwerten Fl bis F4 (vgl . Figur 5 ) übereinstimmt , wird in einem Verfahrensschritt S 9 ein „OK"-Zu- stand ausgegeben . Falls dies nicht der Fall ist , wird ein „NOK"-Zustand ausgegeben (vgl . Verfahrensschritt S8 ) , unabhän- gig davon ob der Anker in einer der Endstellungen oder in ei ¬ ner beliebigen Zwischenposition klemmt . Der Verfahrensschritt Sl 0 beendet das Verfahren . Liegt ein „OK"-Zustand vor, kann auch die Position des Ankers angegeben werden. Stimmen die ersten bzw. dritten Referenz ¬ werte AI und Fl bzw . A3 und F3 mit den aktuellen Werten über ¬ ein, wird die Startposition bzw . die Endposition des Ankers als zulässige Ankerendlage angegeben .

Dies kann auch für einen „NOK"-Zustand angegeben werden . Stim ¬ men die zweiten bzw . vierten Referenzwerte A2 und F2 bzw . A4 F4 mit den aktuellen Werten überein, wird die Startposition bzw . Endposition des Ankers als nicht zulässige Ankerendlage angegeben .

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden zur Ankerendlagenüberwachung eines elektromagnetischen Aktors so ¬ wohl die Flußamplitude als auch die Fläche der Hysterese ¬ schleife verwendet . Natürlich auch möglich lediglich eine der beiden Größen zur ZuStandsüberwachung zu verwenden .