Ausführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und eine

Vorrichtung zur Nutzung des Verfahrens.

Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen werden zur Förderung und Dosierung von Brennstoffen und Reagenzien eingesetzt, sind kostengünstig herstellbar und können wegen ihrer pulsierenden Arbeitsweise mit einstellbarer Fördermenge betrieben werden, wenn die Frequenz der Pulse verändert wird.

Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen bestehen aus einem Elektromagneten und einer fluidischen Verdrängereinheit, in der das Arbeitsfluid angesaugt, ausgestoßen und unter Druck gesetzt wird. Elektromagnet und Verdrängereinheit sind meist durch gemeinsame Bauteile untrennbar

miteinander verbunden, und wenn die Bauform eines durchströmten

Elektromagneten gewählt wird, ist keine Stangendichtung zwischen dem

Elektromagneten und der Verdrängereinheit erforderlich.

Ein Nachteil der üblichen Betriebsweise dieser Hubkolbenpumpen liegt in der Bestromung der Magnetspule bis zum Ende der Bewegung des Magnetankers und zeitlich sogar darüber hinaus, was erforderlich ist, wenn ohne weitere Maßnahmen unter allen Betriebsbedingungen ein vollständiger Hub erreicht werden soll.

Die beschriebene Bestromung bewirkt ein hartes Anschlagen des

Magnetankers mit entsprechend hohem Geräusch und einen geringen

Wirkungsgrad des elektromagnetischen Antriebs.

Entsprechend ergibt sich auch ein hartes Anschlagen bei einer Rückkehr des Magnetankers in die Ruheposition, wenn die Rückstellfeder den Magnetanker bei abgeschaltetem Elektromagnet ungebremst zurückbewegt. Aus der Patentliteratur sind verschiedene Verfahren zur Behebung der genannten Nachteile bekannt, die aber teils sehr aufwändig und teils

unbefriedigend sind.

- Die Druckschrift DE 199 82 757 B4 beschreibt ein Verfahren zur

Ansteuerung einer Brennstoffdosierpumpe, bei dem sowohl elektrische als auch fluidische Zustandsgrößen gemessen werden und die Messwerte zur Veränderung der Spannung am Elektromagneten verwendet werden.

- Die Druckschrift DE 10 2004 002 454 B4 beschreibt ein Verfahren zum

Betreiben einer Dosierpumpe, bei dem ein Tastverhältnis für eine Modulation der Versorgungsspannung während eines Ansteuerintervalls verändert wird.

- Die Druckschrift DE 101 27 996 A1 beschreibt eine Pumpvorrichtung und eine Regelvorrichtung, bei der aus einer Messung des Verlaufs des

Spulenstroms auf die Lage des Magnetankers geschlossen wird und lageabhängig die Spannung geschaltet wird, um den Magnetanker vor Erreichen des Endanschlags abzubremsen.

Die bekannten Verfahren weisen alle mindestens die folgenden Nachteile auf:

- Die Änderungen der Umgebungsbedingungen der Steuerung und der

Hubkolbenpumpe, insbesondere Änderungen der Versorgungsspannung und der Spulentemperatur, werden unzureichend erfasst und berücksichtigt, und das beeinträchtigt die Qualität des Steuerverfahrens.

- Dem Schätzverfahren für den Magnetankerhub liegt kein mathematisches Modell des antreibenden Elektromagneten zugrunde, damit kann nur eine recht grobe Schätzung vorgenommen werden, vor allem wegen des nichtlinearen Verhaltens von Elektromagneten.

- Vorhandene Kenntnisse über den verwendeten Elektromagneten, die sich an einem Prüfstand mit vertretbarem Aufwand ermitteln lassen, werden nicht oder unzureichend erfasst und berücksichtigt, wodurch wiederum die Qualität des Steuerverfahrens leidet.

In der Dissertation„Entwurf von magnetischen Mini- und Mikroaktoren mit stark nichtlinearem Magnetkreis" von Dr. M. Kallenbach (TU Ilmenau) wird ein

Verfahren zur Schätzung einer Magnetposition aus Messwerten der Spannung, des Stroms und berechneten Werten des verketteten Magnetflusses

beschrieben, das auch für nichtlineare Magnetsysteme recht genaue Werte für die Magnetposition ermittelt. Eine Anwendung des Verfahrens auf die

Steuerung einer Hubkolbenpumpe wird nicht beschrieben.

Dieser Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Steuerung einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe zu beschreiben, die durch

Schalten der den Elektromagneten beaufschlagenden Spannung in

Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers die Geschwindigkeit des

Magnetankers beeinflusst. Dabei soll die Lage des Magnetankers nicht gemessen, sondern aus anderen gemessenen oder berechneten

Zustandsgrößen des Elektromagneten bestimmt werden. Kenntnisse über wesentliche Eigenschaften des Elektromagneten, insbesondere nichtlineare Eigenschaften, sollen vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb ermittelt und in geeigneter Form in der Steuerung abgelegt werden.

Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs und die weiteren Ansprüche beschrieben. Zwei

Nebenansprüche beschreiben die Vorrichtung zur Ausführung des

erfinderischen Verfahrens näher.

Dem erfinderischen Verfahren liegt ein mathematisches Modell des

antreibenden Elektromagneten zugrunde, darin wird das Zeitverhalten des Elektromagneten durch die Zustandsgrößen Spannung, Spulenstrom,

Spulenwiderstand, verketteter Magnetfluss, Magnetankergeschwindigkeit und Magnetankerweg beschrieben. Diese Zustandsgrößen sind bei einer simultanen Betrachtung voneinander unabhängig, aber dynamisch beeinflussen sie sich gegenseitig.

Während die Spannung und der Spulenstrom mittels einer Messeinrichtung gemessen werden, wird der Spulenwiderstand aus der Spannung und dem Spulenstrom berechnet. Der verkettete Magnetfluss des Elektromagneten kann nicht simultan aus den anderen Zustandsvariablen berechnet werden, es kann nur die erste zeitliche Ableitung des verketteten Magnetflusses aus der

Spannung, dem Spulenstrom und dem Spulenwiderstand simultan berechnet werden. Als verketteter Magnetfluss wird das Integral über die Durchtrittsfläche aller örtlichen magnetischen Flussdichten an dem aufgeschnitten gedachten Magnetkreis verstanden.

Der verkettete Magnetfluss wird vorzugsweise aus einem Anfangswert und seiner zeitlichen ersten Ableitung durch eine numerische Integration berechnet, und mit einem ausreichend leistungsfähigen Prozessor kann dies in Echtzeit, also während des Magnethubs, geschehen.

Alternativ zur numerischen Integration der Zustandsgrößen könnten andere mathematische Verfahren zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs dieser Zustandsgrößen auf der Basis vereinfachter linearer Modelle verwendet werden, die weniger Rechenleistung erfordern, aber weniger genau sind, weil lineare Modelle die wichtigen Nichtlinearitäten eines Elektromagneten nicht ausreichend abbilden können.

In dieser numerischen Integration könnten bei einer Kenntnis des verketteten Magnetflusses auch die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und der Hub des Magnetankers berechnet werden.

Genauer und schneller lässt sich der Hub des Magnetankers aber aus einer vorher ermittelten und abgespeicherten Tabelle entnehmen, in der der Hub des Magnetankers als Funktion des Spulenstroms und des verketteten

Magnetflusses aufgetragen ist. Eine solche Tabelle zeigt die starke, aber nichtlineare Abhängigkeit des verketteten Magnetflusses als Funktion des Spulenstroms von dem variablen Luftspalt und damit von dem Magnethub. Die Anwendung dieser Tabelle ist zwar ein Schätzverfahren und insofern mit Ungenauigkeiten behaftet, aber die Tabelle berücksichtigt die besonderen nichtlinearen Eigenschaften des verwendeten Elektromagneten, wie sie für die Gattung dieses Elektromagneten bei Messungen auf einem Prüfstand aufgenommen wurden, und ermöglicht deshalb eine erheblich höhere

Genauigkeit in der Gesamtheit.

Eine weitere Verbesserung der Schätzung des Magnetankerhubs erreicht man, wenn man für unterschiedliche wirksame Spannungen und beide möglichen Richtungen der Spannungsänderung an der Magnetspule jeweils Messungen auf einem Prüfstand vornimmt und damit unterschiedliche Tabellen erstellt und verwendet. Dabei fließen dann die nichtlinearen Wirkungen der Sättigung des Eisens, der Magnethysterese und der Wirbelströme in die Tabellen und damit in das Schätzverfahren ein.

Die Berechnung des verketteten Magnetflusses kann hinsichtlich ihrer

Genauigkeit bei Bedarf noch verbessert werden, wenn bei der Berechnung des verketteten Magnetflusses die Vormagnetisierung des Magnetankers und des Eisenrückschlusses aus der Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs des

verketteten Magnetflusses als Anfangswert der numerischen Integration berücksichtigt wird.

Der Eisenrückschluss besteht aus den magnetflussleitenden Bauteilen

Magnetpol, Gehäuse und Joch, bildet also zusammen mit dem Magnetanker einen annähernd geschlossenen Magnetkreis, unterbrochen nur durch den Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Magnetpol.

Bei einer Kenntnis des Hubs des Magnetankers kann die wirksame Spannung an der Magnetspule beispielsweise durch Ein- oder Abschalten oder eine geeignete Pulsweitenmodulation oder Pulsdauermodulation durch die

Steuerung so verändert werden, dass sowohl bei der Arbeitsbewegung als auch der Rückstellbewegung des Magnetankers der Magnetanker rechtzeitig vor dem Anschlagen an dem jeweiligen Endanschlag abgebremst wird. Als wirksame Spannung wird die mittlere Gleichspannung gleicher Wirkung wie die durch Modulation erzeugte Spannung verstanden.

Für den Rückhub des Magnetankers kann das beschriebene Berechnungs- und Schätzverfahren mit geringen Abwandlungen ebenfalls verwendet werden.

Auch beim Rückhub fließt Strom durch die Magnetspule, denn die

Spuleninduktivität lässt den Strom nur langsam abklingen. Der Strom kann gemessen werden, und es kann auf den verketteten Magnetfluss geschlossen werden.

Wenn der durch das beschriebene Verfahren geschätzte Magnetankerhub einen solchen Wert erreicht, der ein Abbremsen der Rückhubbewegung sinnvoll macht, erhöht die elektrische Steuerung die wirksame Spannung auf einen Wert, der eine geeignete Abbremsung bewirkt. Bei der Schätzung des Magnetankerhubs ist hier vorteilhafterweise eine Tabelle für den Hub, den Spulenstrom und den verketteten Magnetfluss zu verwenden, die bei entsprechend kleinen Spannungen und bei negativen

Spannungsänderungen ermittelt wurde. Damit kann das nichtlineare Verhalten der Magnetwerkstoffe angemessen berücksichtigt werden.

Zusammenfassend ist die Erfindung dadurch ausgezeichnet, dass so weit wie irgend möglich vorhandenes Wissen über den Elektromagneten genutzt wird, um eine möglichst genaue Schätzung des Magnetankerhubs anhand der zeitlichen Verläufe des Spulenstroms und der Spannung vorzunehmen.

Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art und ihre elektrischen Steuerungen werden zur Förderung und/oder Dosierung von Brennstoffen und Reagenzien in Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt.

Bilder: Fig. 1 zeigt die Vorrichtung bestehend aus Hubkolbenpumpe und elektrischer Steuerung

Beispielhafte Ausführung

Die Vorrichtung gemäß Fiq.1 besteht aus einer Hubkolbenpumpe (1 ) und einer elektrischen Steuerung (10), wobei die Hubkolbenpumpe aus einem

Elektromagneten (2) und einem durch eine Feder (4) belasteten Verdränger (3) besteht.

Der Elektromagnet ist aus einer Magnetspule (5), einem Eisenrückschluss (6) und einem Magnetanker (7) aufgebaut.

Eine Spannungsversorgung (9) stellt der Vorrichtung elektrische Leistung zur Verfügung, wobei die Spannung in einem vorgegebenen Bereich schwanken kann, beispielsweise zwischen 9V und 16V.

In einer elektrischen Steuerung (10) wird die elektrische Spannung mittels einer

Schalteinrichtung (12) geschaltet und in einer Messeinrichtung (13) werden die wirksame Spannung und der sich ergebende Strom gemessen.

Die Magnetspule wird von der elektrischen Steuerung (10) mit gepulster elektrischer Leistung versorgt, wobei die elektrische Steuerung (10) auch einen speicherprogrammierbaren Prozessor (11 ) enthält.

Der Prozessor (1 1 ) berechnet • den elektrischen Widerstand der Magnetspule (5) aus den von der

Messeinrichtung (13) gemessenen Werten der elektrischen Spannung und des elektrischen Stroms

• die zeitliche Änderung des verketteten Magnetflusses in dem

Elektromagneten (2) aus der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule (5)

• den verketteten Magnetfluss in dem Elektromagneten (2) aus einem vorher berechneten oder geschätzten Magnetfluss und der zeitlichen Änderung

Mittels des Rechenwerts des verketteten Magnetflusses und dem gemessenen elektrischen Strom durch die Magnetspule (5) wird die Lage des Magnetankers (7) bestimmt.

In Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) wird die elektrische

Spannung an der Magnetspule (5) mittels der Schalteinrichtung (12) geschaltet.

Die Bestimmung der gegenwärtigen Lage des Magnetankers wird in der

Steuerung (11 ) aus mindestens einer vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Steuerung (10) berechneten und in der Steuerung (1 ) abgespeicherten Tabelle mit zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) durch ein Schätzverfahren vorgenommen.

Vorteilhafterweise wird die Berechnung des verketteten Magnetflusses verbessert, indem bei der Berechnung des verketteten Magnetflusses die Vormagnetisierung des Magnetankers (7) und des Eisenrückschlusses (6) aus der Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs des verketteten Magnetflusses mittels des Anfangswerts berücksichtigt wird.

Eine weitere Verbesserung der Schätzung der Lage des Magnetanker (7) wird erreicht, indem bei unterschiedlichen wirksamen Spannungen und

Spannungsänderungen an der Magnetspule (5) entsprechende vorher ermittelte Tabellen für unterschiedliche Spannungen und Spannungsänderungen mit jeweils zugeordneten Werten von dem elektrischen Strom, dem verketteten Magnetfluss und der Lage des Magnetankers (7) verwendet werden. Dadurch fließen dann die Wirkungen der Nichtlinearität der Materialeigenschaften, der Magnethysterese und der Wirbelströme in das Schätzverfahren ein. Die Bestimmung des verketteten Magnetflusses in dem Elektromagneten (2) erfolgt vorzugsweise in dem speicherprogrammierbaren Prozessor (1 1 ) durch eine in Echtzeit ablaufende Berechnung der elektrischen und magnetischen Zustandsgrößen des Elektromagneten durch eine numerische Integration.

In Abhängigkeit von der Lage des Magnetankers (7) wird, wenn erforderlich, in der elektrischen Steuerung (10) mittels der Schalteinrichtung (12) die

elektrische Spannung an der Magnetspule (5) abgeschaltet oder mehrfach aus- und eingeschaltet, so dass die wirksame Spannung im Sinne einer

Pulsweitenmodulation oder einer Pulsdauermodulation im Vergleich zur

Spannung einer Spannungsversorgung (9) im zeitlichen Mittel in ihrer Wirkung vermindert wird.

Damit kann bei der Vorwärtsbewegung des Magnetankers (7) gegen die Kraft der Feder (4) die Bewegung des Magnetankers so weit abgebremst werden, dass der Magnetanker nur noch mit einer sehr geringen Restgeschwindigkeit in seinen vorderen Anschlag fährt.

Bei der Rückstellung des Magnetankers (7) durch die Feder (4) klingt der Strom durch die Magnetspule aufgrund der Spuleninduktivität nur langsam ab. Auch dabei wird der Strom durch die Magnetspule von der Messeinrichtung (13) gemessen und über die Berechnung des verketteten Magnetflusses zur Bestimmung der Lage des Magnetankers genutzt, wobei für den

Magnetankerhub eine für kleine Spannungen und negative

Spannungsänderungen vorausberechnete Tabelle ausgewählt wird, die auch den Spulenstrom und den verketteten Magnetfluss enthält.

In dieser Betriebsart wird die Information über die Lage des Magnetankers in der elektrischen Steuerung (10) genutzt, um abhängig von der Lage des Magnetankers die wirksame mittlere Spannung an der Magnetspule (5) zu erhöhen und damit die Bewegung des Magnetankers abzubremsen. Liste der Bezugszeichen

1. Hubkolbenpumpe

2. Elektromagnet

3. Verdrängereinheit

4. Feder

5. Magnetspule

6. Eisenrückschluss

7. Magnetanker

9. Spannungsversorgung

10. Elektrische Steuerung

11. Speicherprogrammierbarer

12. Schalteinrichtung

13. Messeinrichtung