Verstärkerschaltung für Elektromagnet- oder Servoventile

Abstract

 

1. Verstärkerschaltung für Elektromagnete von Proportional- oder Servoventilen.

2. Bei einer Verstärkerschaltung für Elektromagnete von Proportional- oder Servoventilen mit einer mittels eines Pulsbreiten-Modulators (2) einer Ansteuerschaltung angesteuerten Transistor-Endstufe (4) ist letztere als eine Brücke ausgebildet, in deren vier Zweige je ein Power-MOS-Transistor (4) liegt und deren Diagonale den Ausgang für den Anschluß der Erregerwicklung (5) des Elektromagneten bildet. Die Ansteuerstufe weist eine Steuerlogik (8) auf, welche durch eine Steuerimpulsverzögerung die Brücke querstromfrei umschaltet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für Elektromagnete von Proportional- oder Servoventilen mit einer r-ittels eines Pulsbreiten-Modulators einer Ansteuerstufe angesteuerten Transistor-Endstufe.

[0002] Die bekannten Verstärkerschaltungen dieser Art, die mit einer Taktfrequenz des Pulsbreiten-Modulators unter etwa 500 Hz arbeiten, haben zwar gegenüber den auf der Längsreglertechnik beruhenden Schaltungen einen verbesserten Wirkungsgrad und einen einfacheren Aufbau, andererseits aber eine schlechtere Dynamik.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich noch bessere Wirkungsgrade und eine höhe Dynamik erreichen lassen. Liese Aufgabe löst eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

[0004] Die erfindungsgemäße Ausbildung der Endstufe ergibt einen wesentlich höheren \ irkungsgrad und gestattet es deshalb, wesentlich höhere Ströme zuzulassen. Dies ermöglicht zum einen die Verwendung von Magneten mit verkleinertem Widerstand, insbesondere kleinerer Induktivität, und der Wahl eines günstigeren Verhältnisses des maximalen Stromes zum Nennstrom, wodurch eine wesentlich kürzere Stromaufbauzeit und damit eine schnellere Arsteuerung erreicht wird. Zum anderen ermöglich die erfindungsgemäße Endstufe, beim Abschalten des Magneten dessen Erregerspule nicht nur kurzzuschließen, sondern mit einer Gegenspannung zu beaufschlagen, wodurch sich eine wesentlich kürzere Stromabbauzeit und damit eine Schnellstlöschung erreichen läßt. Sowohl die kürzere Stromaufbauzeit als auch die kürzere Stromabbauzeit ermöglicht eine Erhöhung der Dynamik. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß sie eine bipolare Ansteuerung von Steuermagneten ermöglicht, wie sie für Servoventile benötigt wird. Der höhere Wirkungsgrad, zu dem auch beiträgt, daß die Brücke querstromfrei umgeschaltet wird, ergibt weiterhin den Vorteil, daß keine speziell ausgelegten Netzteile erforderlich sind.

[0005] Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Taktfrequenz ues Pulsbreiten-Modulators im Bereich von 10 kf'z bis_ca.200 kHz. Diese wesentlich höhere Taktfrequenz gegenüber den bekannten Schaltungen läßt eine gegenüber den bekannten Lösungen stark vergrößerte Dynamik erreichen. Ferner ist es durch diese hohe Taktfrequenz möglich, Magnete mit Eckfrequenzen im Bereich von 100 Hz zu positionieren, ohne daß störende Schwebungen entstehen. Ebenso ist es möglich, auf einfache Weise den für das Stellorgan optimierten Brumm dem Ausgangsstrom zu überlagern, wodurch eine sehr hysteresearme Positionierung erreichbar ist.

[0006] Aufgrund der vorstehend erläuterten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung eignet sich diese auch vorzüglich für die Einbeziehung in einen Regelkreis. Eine Positionsregelung läßt sich dann mit höchster Präzision und hoher Dynamik realisieren. Dank der rein digitalen Arsteuerung der Endstufe ist es hierbei auch möglich, den Reglerteil in einem Mikrocomputer zu realisieren und eine direkte Verknüpfung von diesem zur Steuerlogik vorzusehen.

[0007] Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Druckschaltbild des Ausführungsbeispiels.

[0008] An den Ausgang eines Reglers 1, der im Ausführungsbeispiel ein I-Regler ist, ist der Eingang eines Pulsbreiten-Modulators 2 angeschlossen, dem eine von einem Taktgenerator 3 erzeugte feste Taktfrequenz zugeführt wird, welche im Eereich zwichen 10 kHz und ca.200 kHz liegt. Das Ausgangssignal des Pulsbreiten-Modulators 2, das aus einer Folge von Rechteckimpulsen besteht, hat deshalb eine entsprechende, feste Frequenz. Die Pulsbreite dieser Impulse ist jedoch variabel und wird vom Ausgangssignal des Reglers 1 bestimmt.

[0009] Die mittels der in ihrer Breite oder Dauer modulierten Impulse anzusteuernde Endstufe weist vier gleiche Power-N-Kanal-Feldeffekttransistoren 4 auf, von denen jeder in einem der vier Brückenzweige liegt. An der einen Diagonale dieser Brücke liegt die Betriebsspannung U_L an, während die andere Diagonale die beiden Anschlüsse für die Last aufweist, bei der es sich um die Erregerwicklung 5 des Elektromagneten handelt. Im Ausführungsbeispiel ist dieser Elektromagnet Bestandteil eines Hochstrom-Servoventiles. Das Gate jedes der vier Transistoren 4 wird von einer Treiberschaltung 6 angesteuert. Diejenigen beiden Treiberschaltungen 6, welche die unmittelbar mit dem Plus- , pol der Versorgungsspannung verbundenen beiden Transistoren 4 ansteuern, werden durch eine spezielle Schaltung, nämlich eine Kondensator-Aufstockung, mit einer um die an einem Eingang 7 anliegende, stabilisierte Versorungsspannung höheren Ansteuerspannung mit der Betriebsspannung versorgt. Hierdurch wird erreicht, daß alle viere Transistoren 4 bis zu kleinsten Sättigungsspannungen durchgeschaltet werden können.

[0010] Für eine diagonale Ansteuerung der durch die Transistoren 4 gebildeten Brücke ist eine Steuerlogik 8 vorgesehen, deren einer Ausgang mit dem einen diagonalen Treiberpaar und deren anderer Ausgang mit dem anderen diagonalen Treiberpaar verbunden ist. Die Steuerlogik 8 verzögert die High-Flanken der Ansteuerimpulse für die Treiberschaltungen 6 so, daß beim U: schalten vom einen Treiberpaar auf das andere Treiberpaar kein Strom in einem der beiden Brückenzweige fließt, die in Parallelschaltung an der Eetriebsspannung U_L liegen.

[0011] Zur Erfassung des Istwertes des durch die Erregerwicklung 5 fließenden Stromes ist in denjenigen beiden Brückenzweigen, die unmittelbar mit dem Null-Potential der Betriebsspannung verbunden sind, je ein Widerstand 9 vorgesehen, dessen Widerstandswert sehr gering gewählt werden kann, da sie nur dem Abgriff einer dem Strom proportionalen Meßspannung dienen. Die an den beiden Widerständen 9 abgegriffenen Spannungen liegen an den beiden Eingängen eines Naßverstärkers 10 an, dessen Ausgangssignal den Strom-Istwert repräsentiert. Der Sollwert des Stromes liegt in Form einer Gleichspannung an einem Eingangsverstärker 11 an, dessen Ausgangssignal so angespaßt ist, daß es einem Summierpunkt 12 zugeführt werden kann, dem auch für den Istwert/Sollwert-\ ergleich das den Istwert repräsentierende Signal zugeführt wird. Lie im Summierpunkt 12 gebildete Scllwert/Istwert-Differenz liegt am Eingang des Reglers 1 an. Ler für das jeweilige Ventil optimale Dither-Anteil wird von einem entsprechenden Signalgeber 13 ebenfalls dem Summierpunkt 12 zugeführt und daher dem Ausgangsstrom überlagert.

[0012] Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere A sgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Ansprüche

1. Verstärkerschaltung für Elektromagnete von Proportional- oder Servoventilen mit einer mittels eines Pulsbreiten-Modulators einer Ansteuerschaltung angesteuerten Transistor-Endstufe, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Endstufe als eine Erücke ausgebildet ist, in deren vier Zweige je ein Power-MOS-Transistor (4) liegt und deren Diagonale den Ausgang für den Anschluß der Erregerwicklung (5) des Elektromagneten bildet,

b) die Ansteuerstufe eine Steuerlogik (8) aufweist, welche durch eine Steuerimpulsverzögerung die Brücke querstromfrei umschaltet.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Pulsbreiten-Modulators (2) im Bereich 10 kHz bis ca. 200 kHz liegt.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch: gekennzeichnet, daß, gesteuert von der Steuerlogik (8), an der Erückendiagonale während eines Abschaltvorganges eine Gcgenspannung anliegt.

4. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden der einen bzw. anderen Stromrichtungen zugehörigen Erückenpfade ein Widerstand (9) liegt, an denen je ein dem Strom proportionales Signal zur Ermittlung eines Strom-Istwertes abgegriffen wird.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch4 , gekennzeichnet durch einen der Aussteuerstufe vorgeschalteten Regler (1), an dessen Eingang das sich aus einem Vergleich des Istwertes mit einem Sollwert des Erregerstromes ergebende Signal anliegt.

Zeichnung