專利名稱：檢測一個可電驅動的致動器的定位元件位置的方法,相應電路和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測一個可電驅動的致動器的定位元件位置的方法，以及相應的電路和裝置，尤其是一個液壓閥。
這種方法的典型應用領域例如是電磁控制閥或開關。其中電磁鐵的電感量取決于電樞的相應位置。因此電感量的測量原則上可以檢測出電樞的位置。
DE4341797公開了用于控制電磁器具的一種方法和一種裝置，它們主要用于燃燒型發(fā)動機中燃料測量領域。通過操縱磁閥門，確定噴射開始、噴射結束以及由此獲得的噴射的燃料量。其中要求已知磁閥門的電樞抵達其終端位置的時刻。此切換時刻可以通過評估磁閥門電流隨時間的變化而獲得。為了降低能耗，DE4420282A1公開的方法在可檢測切換時刻的時間窗中實現脈沖電壓控制。
DE3326605A1公開了用于監(jiān)測沖程位置及閥門磁鐵的電樞位置的方法和電路。線圈由直流電流饋電，此直流電流具有交流分量。交流分量取決于電樞的位置，并從而取決于閥門位置，而且交流分量借助于一個高通濾波器引出到一個測量電阻上。
現有的方法存在以下的缺點調節(jié)切換頻率還取決于線圈的歐姆電阻，此電阻成比例地強烈與溫度有關，因而溫度作為干擾量影響確定電樞位置的輸出信號。這種干擾影響應通過借助于測得的直流電流分量的電路技術手段進行補償。
根據上述原因，本發(fā)明提供一種方法以及相應的電路和裝置，它們克服了現有技術的缺點。尤其是定位元件的位置可以很高的精度檢測，尤其是在對溫度影響有足夠的補償的情況下。本發(fā)明方法或相應電路和裝置在生產和維護中是費用低廉的，并且保證持續(xù)可靠的運行。
上述現有技術中存在的問題由權利要求1所述的方法，并由并列權利要求所述的電路和裝置解決。本發(fā)明的特殊實施方式如從屬權利要求所述。
按照本發(fā)明，在檢測可電驅動致動器——致動器借助于一個受控開關在達到門限值下限時被開啟并在達到門限值上限時被關斷，其中根據低門限值下限、門限值上限并根據定位元件位置x的致動器電切換性能形成開啟持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus——的定位元件位置x的方法中存在的問題是這樣解決的定位元件位置x通過比較開啟持續(xù)期tein或關斷持續(xù)期taus與開啟持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus之和tein+taus的比值，以及通過將開啟持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus之和tein+taus與相應的存儲參考數據進行比較而求出。
可電驅動的致動器例如可以是一個可電磁驅動的致動器，一個可壓電驅動的致動器或者任意形式的基于電控信號產生機械運動的致動器，并且從而例如作為位置或切換元件作用于調節(jié)回路中。在本發(fā)明一個特殊實施方式中致動器的定位元件是電磁鐵的電樞。電樞的運動可以平移和/或旋轉地進行。在平移型運動中定位元件的調節(jié)行程可在十分之幾毫米至幾個厘米之間，甚至更大。
開啟持續(xù)期及關斷持續(xù)期與開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期之和的比值原則上可用模擬計算機形成，但是由于例如可靠性或費用的原因最好由數字電子計算單元完成。開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期可例如通過一個相應高頻率脈沖的計數和必要時中央節(jié)拍脈沖的計數來確定，并且開啟信號及關斷信號被用作高頻脈沖的轉換信號。與存儲的參考數據——它通常根據經驗獲得，例如借助于一個對相應結構型式是典型的致動器獲得——的比較同樣最好用電子計算單元完成。
開啟持續(xù)期及關斷持續(xù)期與開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期之和的比值可以表示為脈沖寬度比或節(jié)拍脈沖比，它不僅與致動器的定位元件位置x有關，而且通常也與裝置的溫度有關。在相應裝置運行時典型的溫度在50℃至100℃之間，并且可能取決于應用情況和環(huán)境溫度，溫度也可能高于或低于上述范圍。
通常獲得的比值與存儲的參考數據的比較還不能保證以足夠的精度確定定位元件的位置x。包含在比值中的溫度影響例如可以通過一個安裝在裝置附近的溫度傳感器求出。當然最好通過開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期之和與相應參考數據的比較完成對溫度影響的補償。
例如基于檢測的開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期之和，存儲的參考數據對“位置x”和“溫度T”——它們對應于檢測的比值一一確認某一對值為有效，為所述一對值存儲與檢測的和信號相關的相應的參考數據的。必要時這里也可進行內插，以計算在兩個檢測的值或兩個存儲的值之間的中間值。
作為替代或補充，如下的比較是可能的，存儲參數化的和反映相應致動器結構型式的公式，在其中測得的比值和和值被用作變量。主要在于，不僅比值，而且和值也參與定位元件位置的求取。
在本發(fā)明的一個特殊實施形式中定位元件控制一個閥，例如一個液壓或氣動閥。閥可以是一個切換閥或一個比例閥，例如一個用于無極調節(jié)可預定的流量或壓力的調節(jié)閥。
受控開關可以是一個無觸點的電子受控開關，例如一個晶體管，尤其是一個MOS-晶體管。除了第一和第二電極之外，這種開關通常還具有第三個控制端，通過此控制端可用小的控制功率無磨損地且以小的損耗切換高的交換容量。
在電磁鐵的情況下，電磁鐵繞組的線圈電流被調整。對此線圈電流可以規(guī)定門限下限值和門限上限值，它們尤其可以是可調節(jié)的和/或可存儲器編程的。這些門限值確定電磁鐵的工作點。這些工作點的選擇和門限值的差確定調節(jié)的振蕩開關狀態(tài)。為了監(jiān)測是否到達門限值，一個其上流過線圈電流的電阻上的電壓信號被評估。原則上繞組線圈的歐姆電阻也可考慮作為此電阻。然而最好利用一個與致動器，尤其是與繞組線圈串聯的歐姆電阻，此電阻的一端最好位于評估控制裝置的一個參考電位上，尤其是地電位上。
在本發(fā)明的一個特殊實施方式中由一個微控制器實現門限值的到達到，和/或開關的操控，和/或與參考數據的比較。其中尤其涉及少量或干脆單片的集成電路—此電路民可完成輸入信號的模/數-轉換和一個用于由開啟持續(xù)期和關斷持續(xù)期計算比值及求和，并且接著與存儲的參考數據比較的計算單元。微控制器的輸出信號可以是模擬的和/或以預定方式數字編碼的，包括一個頻率模擬信號的輸出。而且微控制器也可產生所有相應有效標準所要求的自我診斷信號和故障信號，并且通過規(guī)定接口給出這些信號。
在本發(fā)明的一個特殊實施方式中，當接通致動器時保持電流被降低。這樣不僅節(jié)省能量，而且降低機械和熱負荷，并且不僅是相應裝置的負荷，而且也降低了整個設備環(huán)境的負荷。保持電流的降低例如可以通過降低線圈額定電流，通過調節(jié)一個可規(guī)定的脈沖寬度比或通過類似方法實現。
在本發(fā)明的一個特征實施方式中當切換致動器時切換電流相對于額定電流被提高。這樣在需要的情況下實現較快的切換動作。切換電流的提高例如可通過電阻的瞬間短路實現，此電阻與繞組線圈串聯連接，或通過接通一個過電壓或類似的方法實現。
本發(fā)明還涉及一種用于以電路實現上述方法的電路及帶有這種電路的裝置，尤其是一個液壓閥。
在本發(fā)明的一個特殊實施方式中計算單元結構為集成電路，其中信號處理主要或者全部數字化實現。由于結構成集成電路所導至的最小化，提供了電路安裝在裝置結構單元的可能性。除了相應的可靠性和處理速度之外，尤其提供了電路在結構上非常接近地安裝在致動器上的可能性。
如上面對本發(fā)明方法的說明，不僅求出定位元件的位置x，而且查明致動器，尤其是繞組線圈的溫度T。溫度檢測可以不用獨立的溫度傳感器。在某些應用情況下繞組線圈的溫度基本相同于裝置中介質的溫度，例如液壓閥中液體的溫度，或者至少是完全能反映繞組線圈溫度的。此外，如此檢測的溫度可以用來實現對電磁鐵繞組線圈的過溫保護。
本發(fā)明的其它優(yōu)點，特征和細節(jié)由從屬權利要求和下面的說明給出，下面借助附圖詳細說明一個實施例。其中在權利要求和說明書中所述的特征可單獨出現或被任意組合。


圖1示出在電樞的第一位置x1時電磁鐵的線圈電流i隨時間t的變化曲線i(t)，圖2示出在電樞的第二位置x2時的變化曲線i(t)，圖3示出圖2電流變化曲線i(t)在低和高門限值i1及i2區(qū)域的放大圖形，圖4示出本發(fā)明電路的一個實施例，以及圖5示出本發(fā)明裝置一個剖面的簡示圖。
圖1示出本發(fā)明裝置12(圖5)的一個電磁鐵的繞組線圈10的線圈電流i隨時間t的變化曲線。在開啟過程0＜t＜t1中額定電壓Uo加在電磁鐵上，由于繞組線圈的歐姆電阻為R，電流io的終值由io＝Uo/R給出。在關斷過程t1＜t＜t2中額定電壓Uo與繞組線圈10切斷，并且產生一個指數衰減的電流i(t)。相應的時間常數τ由線圈電感量L與繞組線圈的歐姆電阻R之比值確定。對于圖1所示i(t)曲線，設備溫度T處于第一個值T1。
按圖5所示本發(fā)明作為一個液壓的比例閥42的裝置12的實施例，電磁鐵具有一個軸向運動的電樞14，電磁鐵的電感量L取決于電樞14相對于繞組線圈10的位置x。對于第一位置x1線圈電感量為L1，由此電感量得到圖1中的電流變化曲線i(t)。
利用圖4所示電路可以調節(jié)繞組線圈10的一個電氣工作點，方式是線圈電流i在測量電阻R1上產生的電壓降被評估，在達到門限值下限i1時開關18被控制裝置16開啟。在達到門限值上限i2時開關18被關斷。這樣得到圖1所示的線圈電流隨時間變化曲線i(t)。開啟持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus取決于門限值上限i1的選擇，門限值下限i2的選擇以及繞組線圈的電感量L，并且還取決于電樞14的位置x和繞組線圈的歐姆電阻R，此電阻又與繞組線圈10的溫度有關。
圖2示出在電樞14的第二位置x2時但在同樣的溫度下同一繞組線圈10的電流變化曲線i(t)。在此位置x2上電樞14進一步進入繞組線圈10中，因而電感量L＝L(x2)大于電樞14在位置x＝x1時的電感量L(x1)。
圖2所示具有相應tein及taus與和tein+taus比值的電流變化曲線i(t)(見圖3)也可以在同樣的電樞14位置x＝x1，但相應提高了的溫度T2＞T1的情況下得到。因而由改變了的電流變化曲線i(t)還不能明確推斷出此改變是否由電樞14的位置x變化和/或由溫度T的變化引起的。
圖3示出圖2所示電流變化曲線i(t)在下限及上限門限值i1及i2區(qū)域中的放大圖形。在所示工作點下形成開啟對持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus。它們由控制裝置16(圖4)的一個電子計算單元20采集并進而被評估，首先形成開啟持續(xù)期tein與開啟持續(xù)期tein和關斷持續(xù)期taus之和的比值。這個比值與存儲在控制裝置16中的一個電子存儲器22中的參考數據進行比較。存儲的參考數據是根據在一個或多個用于相應裝置12的結構形式的典型樣板經驗獲得的。參考數據可以固定地預先確定或可編程地可改變。例如一個只讀存儲器(ROM)或一個可編程的只讀存儲器(PROM，EPROM，EEPROM)被安裝或可更換地插到控制裝置16中。
此外控制裝置16還形成和(tein+taus)，并且此和與相應的存儲在電子存儲器22中的參考數據進行比較。通過此比較它最好通過自動運行相應控制程序在程序控制下進行，控制程序同樣可存儲在電子存儲器22中—不僅可檢測裝置12的電樞14的位置x，也可得到繞組線圈10的溫度T。
在圖4示所示本發(fā)明電路24的實施例中開關18由MOS-晶體管構成，它可以可忽略不計的小控制功率切換具有小的通過電阻的大的負荷。由繞組線圈10和測量電阻R1構成的串聯電路并聯連接一個自振蕩二極管D。在達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，例如接通后，控制裝置16可例如通過一個預定的脈沖寬度比降低保持電流。為了快速的切換過程，控制裝置16可以短時間提高切換電流，例如通過將測量電阻R1短路或通過短時間的過電壓。最好應用微控制器或實現為微控制器的控制裝置16除輸出表示電樞14的位置x的信號44外，還可給出滿足現有標準要求的自我診斷信號和/或故障信號46。圖5以簡示圖示出本發(fā)明裝置12的一個剖面。此實施例中考慮一個可電磁操控的液壓比例閥42。最好是順磁或反磁的電樞14在繞組線圈10區(qū)域中具有一個例如軸套形的套26，它最好是鐵氧體-或鐵-磁性的。在繞組線圈10的電流作用下電樞14受到一個抵抗安裝在閥42中的力存儲器28—它例如可由一個螺旋壓縮彈簧構成—的作用的力。
電樞14具有一個孔30，它與閥42的輸入-和輸出管道32，34相通，并且在實施例中與管道直對著。電樞14的位置x確定孔30的作用截面，并且從而確定通過閥42的液體流量36。在繞組線圈10不加電壓的狀態(tài)下電樞14處于關閉閥門的終端位置，構造在端側并且最好為環(huán)形的法蘭38裝置處于一個最好同樣是環(huán)形結構的裝置面40上。
權利要求
1.檢測一個可電驅動的致動器的定位元件位置(x)的方法，致動器借助于一個受控開關(18)在達到門限值下限(i1)時被開啟和在達到門限值上限(i2)時被關斷，其中根據門限值下限(i1)，門限值上限(i2)并根據定位元件位置(x)的致動器電切換性能形成一個開啟持續(xù)期(tein)和一個關斷持續(xù)期(taus)，并且定位元件位置(x)通過開啟持續(xù)期(tein)或關斷持續(xù)期(taus)與開啟持續(xù)期(tein)和關斷持續(xù)期(taus)之和(tein+taus)的比值以及開啟持續(xù)期(tein)和關斷持續(xù)期(taus)之和(tein+taus)與存儲的相應參考數據進行比較而檢測。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，致動器的定位元件是電磁鐵的電樞(14)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，定位元件是一個閥(42)。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，門限值(i1，i2)可預先給定，尤其是可調整和/或可存儲器編程。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，由一個微控器完成對是否達到門限值(i1，i2)的監(jiān)測，開關(18)的控制和與參考數據的比較。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，為了監(jiān)測門限值(i1，i2)是否達到，與致動器串聯連接的電阻R1上的電壓信號被評估。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，在致動器接通時保持電流降低。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，在切換致動器時相對于額定值提高切換電流。
9.用于檢測一個可電驅動的致動器的定位元件位置(x)的電路(24)，致動器可借助于一個受控開關(18)在達到門限值下限(i1)時被開啟并在達到門限值上限(i2)時被關斷，其中根據低門限值(i1)，高門限值(i2)并根據定位元件位置(x)的致動器電切換性能形成一個開啟持續(xù)期(tein)和一個關斷持續(xù)期(taus)，并且可借助一個電子計算機單元(20)測量采集開啟持續(xù)期(tein)和關斷持續(xù)期(taus)，可借助電子計算單元(20)通過比較開啟持續(xù)期(tein)或關斷持續(xù)期(taus)與開啟持續(xù)期(tein)和關斷持續(xù)期之和(taus+taus)的比值以及開啟持續(xù)期(tein)和關斷持續(xù)期(taus)之和(tein+taus)與存儲的相應參考數據進行比較檢測定位元件的位置(x)。
10.具有如權利要求9所述的電路(24)用于實現權利要求1至8中任一項所述方法的裝置(12)，尤其是液壓閥，其特征在于，計算單元(20)結構成集成電路，并且構造在裝置(12)的結構單元中。
全文摘要
本發(fā)明涉及確定一個可電驅動的致動器的定位元件位置(x)的方法，致動器借助于一個受控開關(18)在達到門限值下限(i
文檔編號G05B19/19GK1596451SQ03801613
公開日2005年3月16日 申請日期2003年7月15日 優(yōu)先權日2002年7月26日
發(fā)明者曲文明, 霍斯特·P.·曼尼貝克, 喬奇姆·莫斯克 申請人:Hydac電子技術有限公司