DE3817770A1 - Device for the timed operation of an electromagnetic valve - Google Patents

Abstract

A device for the timed operation of an electromagnetic valve is described which allows particularly fast reaction thereof with high efficiency. The device according to the invention provides, for this purpose, the inductive detection of two end positions of the moving valve element by detecting the collapse of the excitation current caused by its change in position, as well as the immediately subsequent asynchronous self-timing of the excitation current.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur getak­teten Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a device for getaktied control of an electromagnetic valvethe genus of the main claim.

Aus der Veröffentlichung "Verlustarme Ansteuerung von Aktuatoren", erschienen am 13.11.1987 in der Fachzeit­schrift "ELEKTRONIK", sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, elektromagnetische Aktuatoren zur Erhöhung des Wirkungsgrades getaktet anzusteuern. Dort wird vorge­schlagen, die Magnetwicklung eines solchen Aktuators in Arbeitsstellung mit einem gepulsten Gleichstrom zu beauf­schlagen, wobei als Maßgabe für einen sich einstellenden Durchschnittsstrom ein entsprechender Spannungsabfall an einem vom Aktuatorstrom durchflossenen Widerstand(Rs) dient. Es ist dort auch vorgesehen, während eines ersten, fest vorgegebenen Zeitintervalles eine getaktete Kon­stantregelung des Aktuatorstroms auf einen Anzugswert und anschließend nach Maßgabe einer Kontrollspannung eine getaktete Konstantregelung besagten Stromes auf einen Haltewert vorzunehmen. In einem Sonderfall ist die Kon­stantregelung während besagten Zeitintervalles ersetzt durch den sofortigen Übergang zu einer Regelung des Aktuatorstromes auf einen stationären Haltewert, sobald er einen initialen, fest vorgegebenen Spitzenwert über­schritten hat, der oberhalb des maximal erforderlichen Wertes für die Auslösung des Aktuators liegt.From the publication "Low Loss Control of Actuators", published on November 13, 1987 in the trade journal "ELEKTRONIK", various possibilities are known to control electromagnetic actuators in a clocked manner to increase the efficiency. There will propose to strike the magnetic winding of such an actuator in the working position with a pulsed direct current, with a corresponding voltage drop across a resistor(Rs) flowing through the actuator current serving as a measure for an average current which is established. It is also provided there that a clocked constant control of the actuator current to a pick-up value and subsequently a clocked constant control of said current to a hold value is carried out in accordance with a control voltage during a first, predetermined time interval. In a special case, the constant control during said time interval is replaced by an immediate transition to a control of the actuator current to a steady hold value as soon as it has exceeded an initial, predetermined peak value which is above the maximum value required for triggering the actuator.

Diese Einrichtung erlaubt aber nicht, unterschiedlichste Aktuatoren, und darunter insbesondere elektromagnetische Ventile, ohne Änderungen deren externer Beschaltung bzw. von einzelnen Bauelementen innerhalb einer solchen optimal zu betreiben. Unter optimal wird dabei ein maximaler Wirkungsgrad unter bestmöglicher Ausnutzung eines be­stimmten Kupfervolumens der elektromagnetischen Wicklung verstanden. Ein besonders hoher Wirkungsgrad spielt z.B. bei extrem kleinen und schnell reagierenden Magnetventilen eine Rolle, bei denen die spezifische Verlustleistung beispielsweise bereits eine unerwünschte Erwärmung des zu kontrollierenden Mediums verursacht, und deshalb nicht weiter erhöht werden kann. Eine entsprechend optimale Betriebsweise wird in der bekannten Einrichtung dadurch eingeschränkt, daß entsprechende Zeitkonstanten durch externe Bauelemente einer integrierten Schaltung festge­legt, d.h. aktuellen Grenzerfordernissen nur annähernd angepaßt auslegbar sind.However, this facility does not allow the most variedActuators, especially electromagnetic onesValves, without changes to their external wiring orof individual components within such an optimalto operate. A maximum becomes optimalEfficiency with the best possible use of a bematched copper volume of the electromagnetic windingRoger that. A particularly high degree of efficiency plays e.g.with extremely small and quickly reacting solenoid valvesa role in which the specific power lossfor example, an undesirable heating of thecontrolling medium, and therefore notcan be further increased. A correspondingly optimal oneOperation is in the known devicerestricted that corresponding time constants byfestge external components of an integrated circuitlays, i.e. current border requirements only approximateare adapted to be interpreted.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die insbesondere einen sehr effektiven Betrieb elektromagnetischer Ventile ermöglicht, und dazu kleinst­mögliche Bauarten derselben und eine höchstmögliche spezifische Ausnutzung eingesetzten Leitermaterials für das induktive Element erlaubt. Außerdem soll ein besonders schnelles Ansprechen bei niedrigen Durchschnittsbetriebs­leistungen erreichbar und dennoch eine gewisse Toleranz der erforderlichen Ansprechenergie ohne Abgleich zulässig sein.It is therefore an object of the invention to provide a devicecreate that in particular a very effective operationelectromagnetic valves, and smallestpossible designs of the same and the highest possiblespecific utilization of used conductor material forthe inductive element allows. In addition, a specialquick response at low average operationachievable achievements and still a certain toleranceof the required response energy permitted without adjustmentbe.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind durch Ausgestaltung nach Lehre der Unteransprüche gegeben. Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet den Vorteil, daß sie einerseits eine Minimierung der einem elektromagnetischen Ventil zuzuführenden An­sprechenergie ermöglicht, andererseits zu einem besonders schnellen und stabilen Ansprechverhalten führt. Eine Reduktion des mittleren Erregungsstromes erfolgt bereits dann, wenn eine Lageänderung des beweglichen Elements eines elektromagnetischen Ventils erkannt worden ist. Die Lageerkennung geschieht dabei rein induktiv, also kontakt­und berührungslos ohne Einsatz von Stellungsmeldern. Die reduzierte Bestromung wird durch selbsttätiges Takten in einem geschlossenen Regelkreis erreicht. Insgesamt erlaubt dies in vorteilhafter Weise eine Minimierung des Spulen­widerstandes eines elektromagnetischen Ventils, wodurch freigesetzte Verlustleistung ebenfalls reduziert werden kann. Dadurch wird nicht nur eine kleine Bauform eines solchen ermöglicht. Es wird auch die Verlustleistung einer Ansteuerschaltung erheblich reduziert, so daß sich dort deutliche Kostenvorteile ergeben. Während herkömmliche Einrichtungen allenfalls eine Prüfaussage über den Wider­stand der Erregungsspule eines Magnetventils zuließen, eröffnet die erfindungsgemäße Einrichtung durch Erkennung der Bewegung bzw. Endlagen des beweglichen Ventilelements weiterreichende Funktionsdiagnosen. So können durch Grenzwertbewertung der Flugzeiten des beweglichen Ventil­elements im Fehlerfalle Sicherheitsfunktionen ausgelöst werden.This task is performed by a generic devicewith the characteristic features of the main claimsolved. Advantageous further developments of the inventionThe facility is designed according to the teaching ofSubclaims given. The device according to the inventionoffers the advantage of minimizingof the supply to an electromagnetic valvespeech energy enables, on the other hand, to a specialquick and stable response behavior. AThe mean excitation current is already reducedthen when there is a change in position of the movable elementof an electromagnetic valve has been recognized. ThePosition detection is purely inductive, i.e. contactand contactless without the use of position indicators. Thereduced current supply is achieved by automatic clocking inreached a closed control loop. Overall allowedthis advantageously minimizes the coilsresistance of an electromagnetic valve, whereby released power loss can also be reducedcan. This not only makes a small design oneenables such. There will also be a power lossControl circuit significantly reduced, so that thereresult in significant cost advantages. While conventionalIf necessary, establish a test statement about the contrastand the excitation coil of a solenoid valve,opens the device according to the invention by recognitionthe movement or end positions of the movable valve elementmore extensive functional diagnoses. So throughLimit evaluation of the flight times of the movable valveelements safety functions triggered in the event of an errorwill.

Die Einrichtung kann sowohl mit einer analogen als auch mit einer voll digital wirkenden Anordnung realisiert werden, z.B. als Bestandteil eines rechnergestützten Steuergerätes in einem Kraftfahrzeug.The device can be used with an analog as wellrealized with a fully digital arrangemente.g. as part of a computer-basedControl device in a motor vehicle.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the device according to the inventionis shown in the drawing and in the followingDescription explained in more detail. Show it:

Fig. 1a das Prinzipschaltbild einer einfachen Gleich­stromansteuerung eines elektromagnetischen Ventils;FIG. 1a shows the basic circuit diagram of a simple direct current drive of an electromagnetic valve;

Fig. 1b eine schematische Ansicht des Erregungsstrom­verlaufes über der Zeit bei der Ansteuerung gemäßFig. 1a;Fig. 1b is a schematic view of the excitation current over time in the control ofFig. 1a;

Fig. 2 das Funktionsschaltbild einer erfindungsge­mäßen Einrichtung;Fig. 2 shows the functional diagram of a device according to the invention;

Fig. 3 undFig. 4 Zeitdiagramme verschiedener Signale der Ein­richtung nachFig. 2.Fig. 3 andFig. 4 are timing diagrams of various signals of the A direction ofFIG. 2.

In einer einfachen Anordnung zur Gleichstromansteuerung eines elektromagnetischen Ventils ist gemäßFig. 1a die Erregerspule1 des Ventils2 mit in Serie geschaltet erscheinendem Spulenwiderstand5 zwischen ein Massepoten­tial4 und- über einen Schalter7 - eine Versorgungs­spannungsklemme8 schaltbar. Das bewegliche Element3 des Ventils2 beeinflußt z.B. die Strömung eines Arbeitsmedi­ums.9 versinnbildlicht ein am Schaltknoten6 der Erre­gerspule1,5 bezüglich der Betriebsspannung in Sperr­ichtung parallel geschaltetes Halbleiterventil.In a simple arrangement for DC driving an electromagnetic valve 1a is shown inFIG excitation coil1 of the valve2 connected with in series-appearing coil resistor5 between a Massepoten TiAl4 and-., Via a switch7 - a supply voltage terminal8 switchable. The movable element3 of the valve2 influences, for example, the flow of a working medium.9 symbolizes a semiconductor valve connected in parallel in the blocking direction at the switching node6 of the excitation coil1 ,5 with respect to the operating voltage.

Fig. 1b zeigt den typischen Stromverlauf in der Erreger­spule eines solchen Ventils beim Ein- und Abschalten der BetriebsspannungU_Batt. Dieser Stromverlauf gilt prinzi­piell für alle elektromagnetischen Aktuatoren, deren bewegliche Elemente eine nicht vernachlässigbare Zeit beanspruchen, um von einer Endlage in eine andere zu gelangen, und deren Widerstand im magnetischen Kreis sich dabei ändert. Nach Betätigen des Schalters7 steigt der Strom während einer EinschaltzeitT_E zunächst rampenförmig bis zu einem Höcker10 mit EinschaltwertI_E an, bei dem das bewegliche Ventilelement von einer Ruhelage abhebend seine Position zu verändern beginnt. Während der Ein­schalt-FlugzeitT_FE des beweglichen Ventilelements kommt es durch Gegeninduktion bzw. Veränderung des Widerstands im magnetischen Kreis zu einem Stromeinbruch11, d.h. zu einem vorübergehenden Rückgang des Stromes, d.h. zu seinem Anstieg mit negativer Steigung. Der Stromeinbruch11 charakterisiert das Erreichen der Arbeitslage des beweg­lichen Teils zum ZeitpunktT_E +T_FE. Ab diesem Zeitpunkt steigt der Strom monoton weiter an bis auf einen durch den Widerstand5 und die BetriebsspannungU_Batt vorgegebenen stationären EndwertI_max. Wird der Schalter7 geöffnet, fällt der Strom vom MaximalwertI_max nicht plötzlich, sondern vermittels des nun als Freilaufpfad durchgeschal­teten Halbleiterventils9 allmählich ab, bis ein Tiefpunkt13 zum AblösezeitpunktT_A erreicht ist, bei dem das bewegliche Ventilelement von der Arbeitslage abhebend seine Position zu verändern beginnt. Während der "Aus­schalt-Flugzeit"T_FA des beweglichen Ventilelements kommt es durch entsprechende Gegeninduktion bzw. Veränderung des magnetischen Kreises zu einem vorübergehenden Stromanstieg bis zu einem Abschalthöcker14, von dem aus der Strom dann monoton gegen Null abfällt. Zum ZeitpunktT_A +T_FA hat das bewegliche Ventilelement die vormalige Ruhelage wieder erreicht.FIG. 1b shows a typical current waveform in the exciting coil of such a valve at the switching on and off of the operating voltageU_Batt. This current curve applies in principle to all electromagnetic actuators, the moving elements of which take a non-negligible time to move from one end position to another, and whose resistance changes in the magnetic circuit. After actuation of the switch7 , the current initially ramps up during a switch-on timeT_E to a bump10 with switch-on valueI_E , at which the movable valve element begins to change its position from a rest position. During the switch-on flight timeT_{FE of} the movable valve element, there is a current dip11 , that is to say a temporary decrease in the current, that is to say its rise with a negative slope, due to mutual induction or change in the resistance in the magnetic circuit. The current drop11 characterizes the reaching of the working position of the movable part at the timeT_E +T_FE . From this point in time, the current continues to increase monotonously up to a stationary end valueI_max predetermined by the resistor5 and the operating voltageU_Batt . If the switch7 is opened, the current does not suddenly drop from the maximum valueI_max , but instead gradually drops by means of the semiconductor valve9 which is now switched through as a freewheeling path, until a low point13 is reached at the time of separationT_A , at which the movable valve element lifts off from the working position Position begins to change. During the "switch-off flight time"T_{FA of} the movable valve element, there is a temporary current increase as a result of corresponding mutual induction or change in the magnetic circuit, up to a switch-off bump14 , from which the current then drops monotonically towards zero. At the timeT_A +T_FA , the movable valve element has reached the previous rest position.

Die Erfindung sieht nun vor, den durch Veränderungen im magnetischen Kreis verursachten Stromeinbruch10,11 so zu nutzen, daß dieser eine asynchron sich selbst taktende Strombegrenzung auslöst bzw. steuert und die quantitative Analyse der ZeitenT_FA undT_FE eine Diagnose der mecha­nischen Funktion des Ventils erlaubt.The invention now provides to use the current drop caused by changes in the magnetic circuit10 ,11 so that this triggers or controls an asynchronously self-clocking current limitation and the quantitative analysis of the timesT_FA andT_FE a diagnosis of the mechanical function of the valve allowed.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäß dazu vorgeschlagene Einrichtung, die in den eigentlichen AnsteuerteilI und einen Überwachungsfunktion erfüllenden Teil II gegliedert ist. Eine eigenwiderstandsbehaftete Erregerspule16, die als Ansteuerelement eines elektromagnetischen Kreises auf ein bewegliches Ventilelement17 wirkt, ist in Serie mit einem steuerbaren elektronischen Schalter18 und einem Stromfühlwiderstand19 mit einer BetriebsspannungU_Batt beaufschlagt, beispielsweise zwischen dem Massepotential21 eines Fahrzeugchassis und einer Versorgungsklemme20. Die Serienschaltung aus Erregerspule16 und Stromfühlwi­derstand19 ist im einfachsten Falle durch eine Freilauf­diode23 überbrückt, so daß diese über die Arbeitsstrecke des steuerbaren elektronischen Schalters18 in Sperr­richtung mit der BetriebsspannungU_Batt beaufschlagt ist. An Stelle dieser Freilaufdiode kann am Anschluß22 der Erregerspule16 auch eine komplexere Freilaufschaltung vorgesehen sein, um z.B. in bekannter Weise einen be­schleunigten oder eine Abschaltverlustleistung reduzie­renden Stromabbau in der Erregerspule16 zu erreichen. Über die Abtastleitung25 wird vom Abtastpunkt24 des Stromfühlwiderstandes19 ein stromproportionaler Span­nungsabfall an eine Stromerfassungsstufe26 übertragen, die dieses relativ kleine Signal verstärkt bzw. zu einem weiterverarbeitbaren Stromsignal normiert. Ein erster Ausgang dieser Stufe speist einen Differentiator27, dessen Ausgang ein abgeleitetes Stromsignal an den nicht invertierenden Signaleingang eines Komparators28 abgibt; der invertierende Referenzeingang dieses Komparators steht mit einem festen BezugspotentialU₅, z.B. dem Massepoten­tial des die Einrichtung enthaltenden elektronischen Steuergerätes in einem Kraftfahrzeug in Verbin­dung, an welches auch die Stromerfassungsstufe26 ange­schlossen ist. Der Ausgang des Komparators28 steuert den ersten Eingang eines Exklusiv-ODER-Gatters29 an, dessen zweiter Eingang von einer Steuerklemme30 mit einem Ventilsteuersignal beaufschlagbar ist. Dieses Ventilsteu­ersignal wird auch dem Setzeingang eines Einschalt-Flip­flops31 zugeführt, dessen Rücksetzeingang mit dem Ausgang des vorerwähnten Exklusiv-ODER-Gatters29 verbunden ist. Ein Ausgang des Einschalt-Flipflops31 steuert ein ODER-Gatter35, welches seine zweite Eingangsgröße vom Ausgang einer Hysteresestufe32 zieht. Diese ist mit einem zweiten Ausgang der Stromerfassungsstufe26 verbunden und ist an Eingängen33 und34 mit zwei getrennten Einstellgrößen beaufschlagbar, welche vorzugsweise einen Haltestrommit­telwert und den Abstand zwischen den Hystereseumschalt­punkten festlegen. Der Ausgang des ODER-Gatters35 ist an ein UND-Glied36 geführt, dessen zweiter Eingang mit dem Ventilsteuersignal von Steuerklemme30 beaufschlagbar ist. Dieses UND-Glied steuert die Treiberstufe37 an, die ihrerseits über die Treiberleitung38 den elektronischen Schalter18 ansteuert, der z.B. als Leistungsfeldeffekt­transistor ausgeführt sein kann.FIG. 2 shows the device proposed according to the invention, which is divided into the actual control partI and a monitoring part II. An excitation coil16 with inherent resistance, which acts as a control element of an electromagnetic circuit on a movable valve element17 , is supplied in series with a controllable electronic switch18 and a current sensing resistor19 with an operating voltageU_Batt , for example between the ground potential21 of a vehicle chassis and a supply terminal20 . The series circuit of excitation coil16 and Stromfühlwi resistance19 is bridged in the simplest case by a freewheeling diode23 , so that this is applied over the working distance of the controllable electronic switch18 in the blocking direction with the operating voltageU_Batt . Instead of this freewheeling diode, a more complex freewheeling circuit can also be provided at the connection22 of the excitation coil16 , in order to achieve, for example in a known manner, an accelerated reduction or a switch-off power loss reducing current in the excitation coil16 . Through the scan line25 of the current sensing resistor19 is transmitted a current proportional clamping voltage drop to a current sensing stage26 from the sampling point24, which amplifies this relatively small signal or normalized to a processable current signal. A first output of this stage feeds a differentiator27 , the output of which outputs a derived current signal to the non-inverting signal input of a comparator28 ; the inverting reference input of this comparator is connected to a fixed reference potentialU₅ , for example the ground potential of the electronic control unit containing the device in a motor vehicle, to which the current detection stage26 is also connected. The output of the comparator28 drives the first input of an exclusive OR gate29 , the second input of which can be acted upon by a control terminal30 with a valve control signal. This valve control signal is also fed to the set input of a turn-on flip-flop31 , the reset input of which is connected to the output of the aforementioned exclusive-OR gate29 . An output of the switch-on flip-flop31 controls an OR gate35 , which draws its second input variable from the output of a hysteresis stage32 . This is connected to a second output of the current detection stage26 and can be acted upon at inputs33 and34 with two separate setting variables, which preferably determine a holding current value and the distance between the hysteresis switching points. The output of the OR gate35 is guided to an AND gate36 , the second input of which can be acted upon by the valve control signal from the control terminal30 . This AND gate controls the driver stage37 , which in turn controls the electronic switch18 via the driver line38 , which can be implemented, for example, as a power field effect transistor.

Der Überwachungsteil II umfaßt ein Ausschalt-Flipflop39 und ein Zustands-Flipflop40, welches ein logisches Ausgangssignal abgibt, das der Arbeitsstellung des beweg­lichen Ventilelements zeitlich abspricht. Der Setzeingang des Ausschalt-Flipflops39 ist mit der Steuerklemme30 und sein Rücksetzeingang ist mit dem Ausgang des Komparators28 verbunden. Sein Ausgang steuert den Rücksetzeingang des Zustands-Flipflops40, dessen Setzeingang mit dem Ausgang des vorerwähnten Einschalt-Flipflops31 verbunden ist. Der Ausgang des Zustands-Flipflops40 ist an eine Ausgangs­klemme49 und an eine Überwachungslogik41 mit Diagnose­ausgang42 geführt, deren zweiter Eingang von einem Verknüpfungsgatter47 gespeist wird, vorzugsweise einem ODER-Gatter. Diesem werden Grenzwertsignale zugeführt, und zwar vom Ausgang eines ersten Grenzwertkomparators43, vom Ausgang eines zweiten Grenzwertkomparators45, sowie von einer Grenzwertklemme48. Die nichtinvertierenden Eingänge dieser Komparatoren sind mit der Stromerfassungsstufe26 verbunden; der invertierende Eingang des Komparators43 ist an eine Grenzwertklemme44 geführt, der nichtinver­tierende Eingang des Komparators45 ist an eine Grenz­wertklemme46 geführt. Die Grenzwertklemme44 ist mit einem Schwellpotential verbunden, welches dem maximal zulässigen Erregungsstrom des elektromagnetischen Ventils entspricht. Die Grenzwertklemme46 ist mit einem Schwell­potential verbunden, welches dem entsprechenden Leerlaufstrom entspricht. An die Grenzwertklemme48 kann ein hier nicht ausgeführter Temperaturgeber angeschlossen sein, welcher beispielsweise die Betriebstemperatur der gesamten Steueranordnung überwacht, vorzugsweise wenn diese als integrierte Schaltung auf einem Halbleiterchip ausgebildet ist.The monitoring part II comprises a turn-off flip-flop39 and a status flip-flop40 , which emits a logic output signal which is temporally dependent on the working position of the movable valve element. The set input of the switch-off flip-flop39 is connected to the control terminal30 and its reset input is connected to the output of the comparator28 . Its output controls the reset input of the state flip-flop40 , the set input of which is connected to the output of the above-mentioned switch-on flip-flop31 . The output of the state flip-flop40 is connected to an output terminal49 and to a monitoring logic41 with diagnostic output42 , the second input of which is fed by a logic gate47 , preferably an OR gate. Limit value signals are supplied to this, specifically from the output of a first limit value comparator43 , from the output of a second limit value comparator45 , and from a limit value terminal48 . The non-inverting inputs of these comparators are connected to the current detection stage26 ; the inverting input of the comparator43 is led to a limit value terminal44 , the non-inverting input of the comparator45 is led to a limit value terminal46 . The limit terminal44 is connected to a threshold potential which corresponds to the maximum permissible excitation current of the electromagnetic valve. The limit terminal46 is connected to a threshold potential, which corresponds to the corresponding no-load current. A temperature sensor (not shown here) can be connected to the limit value terminal48 , which, for example, monitors the operating temperature of the entire control arrangement, preferably if it is designed as an integrated circuit on a semiconductor chip.

Die Funktion der Einrichtung wird anhand derFig. 3 und 4 erläutert.Fig. 3 veranschaulicht einige statische undFig. 4 einige dynamische Signalverläufe innerhalb der Einrichtung; die Zuordnung einzelner Signal ist durch die eingetragenen Signalkennzeichen gegeben.The function of the device is explained with reference toFIGS. 3 and 4.Figure 3 illustrates some static andFigure 4 some dynamic waveforms within the device; The assignment of individual signals is given by the entered signal identifier.

Teil Ipart One

Unter einem beispielhaften erregerstromproportionalen SpannungsverlaufU_A, (wie er bei Ein- bzw. Ausschalten der statischen Bestromung der Erregerwicklung16 am Strom­fühlwiderstand19 abgreifbar ist) ist mitU_B die Aus­gangsspannung des Differentiators27 dargestellt. Das Ventilsteuersignal an Klemme30 ist mitU_C gekennzeichnet; es setzt mit seiner ansteigenden Flanke die Ausgänge der Flipflops31 und39 auf log. "L". Aufgrund Vorzeichen­wechsels des differenzierten Stromsignals entsteht am Ausgang des Komparators28 der SignalverlaufU_D. Durch Exklusiv-ODER-Verknüpfung mit dem VentilsteuersignalU_C resultiert daraus der DoppelimpulsU_E; die Zeitdauer der beiden Einzelimpulse entsprechen dabei der ZeitdauerT_FE undT_FA instationärer Lage des beweglichen Ventilelements. Der Ausgang des Flipflops31 wird durch die fallende Flanke des SignalsU_E wieder auf "0" zurückgesetzt. Der SignalverlaufU_A gemäßFig. 4 versinnbildlicht einen zuU_A′ analogen SpannungsverlaufU_A bei erfindungsgemäßer Selbsttaktung der Bestromung der Erregerwicklung16; der entsprechende Zeitverlauf der VentilsteuerspannungU_C ist darunter angedeutet. Zur erwähnten Selbsttaktung bilden die Elemente16,19,26,32,35,36,37 und18 einen geschlossenen Zweipunkt-Hysteresekreis, dem durch die Elemente29 und31 bei Ansteuerbeginn der InitialisierungsimpulsU_F überlagert wird. Durch Vorgabe von FestspannungswertenU₁ undU₂, die z.B. den mittleren Erregungsstrom56 und den Stromhub57 bestimmen, löst die Hysteresestufe32 bei Erreichen bzw. Überschreiten der oberen und unteren Umschaltschwellen54 und55 des Er­regungsstromsignalesU_A den SignalverlaufU_G mit Um­schaltflanken58 bis63 zu entsprechenden ZeitenT₁ bisT₆ aus. Durch ODER-Verknüpfung35 wird diesem Signal der InitialisierungsimpulsU_F zugefügt, wodurch das SignalU_H entsteht. Die UND-Verknüpfung36 des SignalsU_H mit dem VentilsteuersignalU_C bewirkt ein Abschneiden von Signal­teilen nach Verschwinden des VentilsteuersignalsU_C. Als Ergebnis entsteht also ab dem ZeitpunktT₂ ein der ge­zeigten SpannungU_A entsprechender Stromverlauf in peri­odischer Folge, so lange die VentilsteuerspannungU_C wirksam ist. Es ist erkennbar, daß dadurch der Erreger­wicklung eine minimale Ansprechenergie zuführbar ist, weil unmittelbar nach Erkennung des Erreichens der Arbeits­stellung des beweglichen Ventilelements eine Begrenzung des Erregungsstromes auf einen Haltewert unter demjenigen Wert einsetzt, welcher das Verlassen der Ruhelage des beweglichen Ventilelements bewirkt, bzw. bei Erreichen der Arbeitslage desselben sich einstellt.Under an exemplary excitation current proportional voltage curveU_A (as can be picked up when the static current supply to the excitation winding16 is sensed at the current resistance19 ),U_{B represents} the output voltage of the differentiator27 . The valve control signal at terminal30 is marked withU_C ; it sets the outputs of flip-flops31 and39 to log with its rising edge. "L". Due to the change in sign of the differentiated current signal, the signal curveU_D arises at the output of the comparator28 . The OR pulse with the valve control signalU_C results in the double pulseU_E ; the duration of the two individual pulses corresponds to the durationT_FE andT_{FA of the} transient position of the movable valve element. The output of the flip-flop31 is reset to "0" by the falling edge of the signalU_E. The signal curveU_A according toFIG. 4 symbolizes a voltage curveU_{A which is} analogous toU_A 'with self-clocking of the energization of the excitation winding16 according to the invention; the corresponding time profile of the valve control voltageU_C is indicated below. For the self-clocking mentioned, the elements16 ,19 ,26 ,32 ,35 ,36 ,37 and18 form a closed two-point hysteresis circuit, which is overlaid by the elements29 and31 at the start of activation of the initialization pulseU_F. By specifying fixed voltage valuesU₁ andU₂ , which determine, for example, the average excitation current56 and the current swing57 , the hysteresis stage32 triggers the signal curveU_G with Um when the upper and lower switching thresholds54 and55 of the excitation current signalU_{A are} reached or exceeded switching edges58 to63 at corresponding timesT₁ toT₆ . The OR pulse35 adds the initialization pulseU_{F to} this signal, which produces the signalU_H. The AND operation36 causes the signalU_H to the valve control signalU_C clipping of signal parts after the disappearance of the valve control signalU_C. As a result, a current curve corresponding to the voltageU_{A shown appears} in periodic sequence from timeT₂ , as long as the valve control voltageU_{C is} effective. It can be seen that a minimal response energy can be supplied to the excitation winding because, immediately after detection of the reaching of the working position of the movable valve element, a limitation of the excitation current to a holding value below the value which causes the moving valve element to leave the rest position, or when it reaches its working position.

Teil IIPart II

Der durch die Anstiegsflanke des Ventilsteuersignals auf "L" gesetzte Ausgang des Flipflops39 wird durch die abfallende Flanke52 des AusgangssignalsU_D des Kompara­tors28 zurückgesetzt; dasselbe bewirkte alternativ auch eine abfallende Flanke des SignalsU_E. Durch die abfal­lende Flanke53 des SignalsU_F wird der Ausgang des Flipflops40 auf "L" gesetzt, vgl.U_L. Die abfallende Flanke63 des SignalsU_K setzt den Ausgang des Flipflops40 bzw.U_L wieder auf "0" zurück. Somit steht an der Klemme49 ein Impuls zur Verfügung, der der Zeitdauer vom Erreichen der Arbeitslage bis zum Wiedererreichen der ursprünglichen Ruhelage des beweglichen Ventilelements entspricht, und zu Prüfzwecken bzw. zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Funktion des Ventils herangezogen werden kann (Quittungsabfrage). Die Logik41 verknüpft das entsprechende Zeitfenster mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungsgatters47 (als logischem Grenzwertüber­schreitungssignal) und bildet daraus an ihrem Diagnose­ausgang42 ein Statussignal über den ordnungs- bzw. nichtordnungsgemäßen Betriebszustand der Einrichtung bzw. des Ventils. Die Eingänge44 und46 sind mit Referenzpo­tentialenU₃ undU₄ verbunden, die entsprechende Schwellen zum Umschalten der Komparatoren43 und45 festlegen.The set by the rising edge of the valve control signal to "L" output of the flip-flop39 is reset by the falling edge52 of the output signalU_{D of} the comparator28 ; alternatively, the same also caused a falling edge of the signalU_E. The falling edge53 of the signalU_F sets the output of the flip-flop40 to "L", cf.U_L. The falling edge63 of the signalU_K resets the output of the flip-flop40 orU_L to "0" again. Thus, a pulse is available at terminal49 , which corresponds to the time from reaching the working position to reaching the original rest position of the movable valve element, and can be used for testing purposes or to check the proper functioning of the valve (confirmation of receipt). The logic41 links the corresponding time window with the output signal of the link gate47 (as a logic limit value exceeding signal) and forms a status signal on its diagnostic output42 about the correct or non-correct operating state of the device or the valve. The inputs44 and46 are connected to reference potentialsU₃ andU₄ , which define corresponding thresholds for switching the comparators43 and45 .

Bei einer Realisierung der erfindungsgemäßen Einrichtung mittels einer softwareangetriebenen Rechnerschaltung sind die ReferenzpotentialeU₁ bisU₅ durch gespeicherte Festwerte ersetzt.When the device according to the invention is implemented by means of a software-driven computer circuit, the reference potentialsU₁ toU_{5 are} replaced by stored fixed values.

Claims (8)

Translated fromGerman

1. Einrichtung zur getakteten Ansteuerung eines elektro­magnetischen Ventils mit einem in zwei Endlagen auslenk­baren beweglichen Element, mit einem in Abhängigkeit von der Lage des beweglichen Elements veränderbaren magne­tischen Kreis, mit einer den magnetischen Kreis erregenden Wicklung, mit einem von einer Treiberstufe angesteuerten elektronischen Schalter, über den diese Wicklung mit einer Betriebsspannung verbindbar ist, mit einem der Wicklung in Serie geschalteten Stromfühlwiderstand, an welchem eine der Strombeaufschlagung der Wicklung proportionale Fühl­spannung abgreifbar ist, mit einer UND-Verknüpfungs­funktion, der einerseits ein Ventilsteuersignal und andererseits Taktimpulse zuführbar sind und von deren Ausgang besagte Treiberstufe ansteuerbar ist,dadurch gekennzeichnet,

• - daß vorerwähnte Fühlspannung einer Differenzierfunktion (27) mit angeschlossener Vergleichsfunktion (28) zuführbar ist, welche ansteigende und abfallende Flanken der vorerwähnten Fühlspannung durch Ver­ gleich des Differenzierergebnisses mit einem Referenzwert (U5) zu unterscheiden (U_D) erlaubt;
• - daß eine (erste) Speicherzelle (31) vorhanden ist, die durch das Ventilsteuersignal (U_C) setzbar ist;
• - daß mit dem Ergebnis einer Exklusiv-ODER-Verknüpfung des entsprechenden Unterscheidungsergebnisses (U_D) mit dem Ventilsteuersignal (U_C) die (erste) Speicher­zelle (31) rücksetzbar ist;
• - daß der Zustand der (ersten) Speicherzelle (31) wenigstens über eine weitere Verknüpfungsfunktion (35) als Eingangsbedingung besagter UND-Verknüp­fung zuführbar ist;
• - daß nach Rücksetzen der (ersten) Speicherzelle (31) besagte UND-Verknüpfungsfunktion periodisch ge­taktet ansteuerbar ist.

1. Device for the timed control of an electromagnetic valve with a movable element that can be deflected in two end positions, with a magnetic circuit that can be changed as a function of the position of the movable element, with a winding that excites the magnetic circuit, with an electronic that is controlled by a driver stage Switch via which this winding can be connected to an operating voltage, with a current sensing resistor connected in series to the winding, at which a sensing voltage proportional to the current applied to the winding can be tapped, with an AND logic function, which can be supplied with a valve control signal and clock pulses on the one hand and from whose output said driver stage can be controlled,characterized in that

• - That the above-mentioned sensing voltage of a differentiating function (27 ) with connected comparison function (28 ) can be supplied, which allows the rising and falling edges of the above-mentioned sensing voltage to be distinguished by comparing the result of differentiation with a reference value (U5 ) (U_D );
• - That a (first) memory cell (31 ) is present, which can be set by the valve control signal (U_C );
• - That with the result of an exclusive OR operation of the corresponding differentiation result (U_D ) with the valve control signal (U_C ), the (first) memory cell (31 ) can be reset;
• - That the state of the (first) memory cell (31 ) can be fed at least via a further logic function (35 ) as an input condition of said AND logic operation;
• - That after resetting the (first) memory cell (31 ) said AND logic function periodically ge clocked can be controlled.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß vorerwähnte Fühlspannung einer Hysteresefunktion (32) zuführbar ist;
• - daß die Hysteresefunktion (32) in Abhängigkeit von der Fühlspannung und zweier vorgebbarer Festwerte ihren Ausgangszustand ändert;
• - daß der Ausgangszustand der Hysteresefunktion (32) mit dem Zustand der (ersten) Speicherzelle (31) ODER­verknüpfbar (35) ist und
• - daß das Verknüpfungsergebnis als Eingangsbedingung be­sagter UND-Verknüpfung (36) zuführbar ist.

2. Device according to claim 1, characterized in

• - That the aforementioned sensing voltage of a hysteresis function (32 ) can be supplied;
• - That the hysteresis function (32 ) changes its initial state as a function of the sensing voltage and two predeterminable fixed values;
• - That the initial state of the hysteresis function (32 ) with the state of the (first) memory cell (31 ) OR can be linked (35 ) and
• - That the link result as input condition be said AND link (36 ) can be fed.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welligkeit des getakteten Erregungsstromes (Haltestrom) wenigstens durch einen der der Hysterese­funktion vorgebbaren Festwerte festlegbar ist.3. Device according to claim 2,characterized,that the ripple of the clocked excitation current(Holding current) at least through one of the hysteresisfunction definable fixed values.4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sich nach Erreichen der Arbeitsstellung des beweglichen Elements oder nach Rücksetzen der Speicher­zelle (31) einstellende Erregungsstrom (Haltestrom) kleiner als der zum Verlassen der Ruhelage des beweglichen Elements erreichte Ansprechstrom ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that after reaching the working position of the movable element or after resetting the memory cell (31 ) setting excitation current (holding current) is less than the response current achieved for leaving the rest position of the movable element.5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der infolge des Ventilsteuersignals ausgelöste und sowohl in die Wicklung (16) als auch in einen Freilaufpfad (23) eingespeiste Erregungsstrom aus einem längeren Anfangsimpuls und einem nachfolgenden Puls besteht, der von kürzeren, im wesentlichen periodisch aufeinanderfol­genden Einzelimpulsen gebildet wird.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation current triggered as a result of the valve control signal and fed both into the winding (16 ) and into a freewheeling path (23 ) consists of a longer initial pulse and a subsequent pulse which consists of shorter, essentially periodically consecutive individual pulses is formed.6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine (zweite) Speicherzelle (39) vorhanden ist, welche durch das Ventilsteuersignal (U_C) setzbar ist;
• - daß die (zweite) Speicherzelle (39) vom Ergebnis (U_D) der Vergleichsfunktion (28) rücksetzbar ist;
• - daß eine (dritte) Speicherzelle (40) vorhanden ist, welche durch einen Zustandswechsel der (ersten) Speicherzelle (31) setzbar und durch einen Zu­standswechsel der (zweiten) Speicherzelle (39) rücksetzbar ist, und
• - daß die (dritte) Speicherzelle (40) nach ihrer Setz­dauer abfragbar (U_L;49) ist.

6. Device according to claim 1, characterized in

• - That a (second) memory cell (39 ) is present, which can be set by the valve control signal (U_C );
• - That the (second) memory cell (39 ) from the result (U_D ) of the comparison function (28 ) can be reset;
• - That a (third) memory cell (40 ) is present, which can be set by a change of state of the (first) memory cell (31 ) and can be reset by a change of state of the (second) memory cell (39 ), and
• - That the (third) memory cell (40 ) after its setting can be queried (U_L ;49 ).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine (zweite) Vergleichsfunktion (43) vorgesehen ist, der sowohl ein einem maximal zulässigen Er­regungsstrom entsprechender Grenzwert (U₃;44) und wenigstens ein erster Abtastwert der Fühl­spannung zuführbar ist;
• - daß eine (dritte) Vergleichsfunktion (45) vorgesehen ist, der sowohl ein einem Leerlaufstrom ent­ sprechender Grenzwert (U₄;46) und wenigstens ein zweiter Abtastwert der Fühlspannung zuführ­bar ist;
• - daß wenigstens die Ergebnisse der vorgenannten Ver­gleichsfunktionen (43,45) verknüpfbar (47) sind und daß sowohl die daraus resultierende Ver­knüpfung als auch der Zustand der (dritten) Speicherzelle (40) als Eingangsgröße einer logischen Überwachungsfunktion (41) zuführbar sind, und
• - daß durch die Überwachungsfunktion (41) ein Diagnose­ausgang (42) ansteuerbar ist.

7. Device according to claim 6, characterized in

• - That a (second) comparison function (43 ) is provided, both a maximum permissible He excitation current corresponding limit value (U₃ ;44 ) and at least a first sample of the sensing voltage can be supplied;
• - That a (third) comparison function (45 ) is provided, which is both a limit value corresponding to an open circuit current (U₄ ;46 ) and at least a second sample value of the sensing voltage can be supplied;
• - That at least the results of the aforementioned comparison functions (43 ,45 ) can be linked (47 ) and that both the resulting linkage and the state of the (third) memory cell (40 ) can be supplied as an input variable to a logic monitoring function (41 ), and
• - That a diagnostic output (42 ) can be controlled by the monitoring function (41 ).

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Ergebnissen der vorgenannten Vergleichsfunk­tionen (43,45) noch wenigstens eine weitere Überwa­chungsgröße (48) gleichwertig verknüpfbar (47) ist.8. Device according to claim 7, characterized in that with the results of the aforementioned comparison functions (43 ,45 ) at least one further monitoring variable (48 ) can be linked in an equivalent manner (47 ).