Gebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebs
wie einer Magnetspule, insbesondere einer Magnetspule an Hydraulik- oder Pneumatikschaltventilen,
vorzugsweise im Bereich von Kunststoff-Spritzgießmaschinen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Im industriellen Bereich werden traditionell hydraulische Schaltventile mit einer
Versorgungsspannung von 24V
DC eingesetzt. Das gleiche gilt für die Pneumatik im industriellen Einsatz. Vorgegeben
durch das Bordnetz, liegen die Versorgungsspannungen von Schaltventilen im mobilen
Bereich meist bei 12V
DC. Das Spektrum an Ventilen und deren Schaltlogik ist jedoch vergleichbar.
[0003] Aus der
DE 40 31 427 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die mit Hilfe von pulsweitenmodulierter
Versorgungsspannung einen energiereduzierten Betrieb mit nachgeregelter Leistungsanpassung
eines elektromagnetischen Stellgliedes erlaubt. Dieses Verfahren reduziert zyklisch
die Leistung auf eine Minimalleistung (P
0) und kann somit an die Grenze des Haltemomentes des Stellgliedes gelangen. Dazu werden
Spulenstrom und Spulenspannung gemessen und die Leistung in der Spule wird kontinuierlich
oder in festgelegten Stufen reduziert, bis sich der Aktor bewegt, d.h. die Gegeninduktion
in der Spule durch den Spulenstrom erkannt wird. Diese Leistung P
0 wird mit einen Offset versehen und als Minimalleistung an die Spule abgegeben. Das
Verfahren ist unabhängig von der angeschlossenen Last, wobei bei kleinen induktiven
Lasten das Erkennen der Aktorbewegung wegen der geringen Gegeninduktion durch Spulenstrom
und -spannung schwierig ist. Zudem besteht die Gefahr, dass sich in kritischen Anwendungen
unter hoher Last oder bei spontan einwirkenden Störgrößen die Last zumindest teilweise
aus dem angestrebten Zustand heraus bewegt.
[0004] Die
DE 41 09 233 C2 zeigt eine Ansteuerelektronik mit Pulsweiten moduliertem Ausgangssignal zum Ansteuern
elektrischer Stellglieder eines hydraulischen Systems, wobei ohne Übererregung anhand
der ermittelten Impedanz die Kenngrößen des Stellglieds bestimmt und diese über die
Pulsweitenmodulation angesteuert werden. (vgl. auch
DE 101 04 754 A1).
[0005] Aus der
DE 39 10 810 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der mit einer einstellbaren Pulsweitenmodulation
(PWM) ein leistungsreduzierter Betrieb von elektromagnetischen Stellgliedern realisiert
wird.
Offenbarung der Erfindung
[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
Ventilspulen nach ihrer Nennspannung zu identifizieren und diese für den industriellen
Einsatz nutzbar zu machen.
[0007] Dies Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellglieds
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
[0008] Durch eine zeitlich begrenzte Übererregung, d.h. Betrieb mit einer Leistung, welche
deutlich über der Nennleistung des elektromagnetische Stellantriebes liegt, lassen
sich Ventile niedriger Nennleistung auch unter höherer Spannung mit größerer Schaltgeschwindigkeit
betreiben. An Hand der dabei auftretenden Strom- und Spannungscharakteristik beim
Anlegen der Versorgungsspannung an den Stellantrieb kann auf den Stellantrieb bzw.
das Ventil geschlossen werden, der dann entsprechend unter Pulsweitenmodulation bei
seiner Nennleistung betrieben wird. Vorzugsweise ist die Versorgungsspannung wenigstens
so hoch wie die Nennspannung des Stellantriebs. Durch die Übererregung werden Streuungen
der Einschaltdauer über verschiedene Stellantriebe einer Serie und/oder verschiedene
Arbeitspunkte (für Ventile z.B. Druck, Durchflussmenge, Temperatur, Viskosität des
Mediums) minimiert.
[0009] Damit lassen sich Ventilspulen verschiedener Nennspannungen identifizieren und für
den industriellen Einsatz an verschiedenen Versorgungsspannungen nutzbar machen. Über
eine Anpassung der Einschaltdauer mittels der pulsweitenmodulierten Versorgung können
die elektromagnetischen Stellglieder für einen weiten Bereich verschiedener Versorgungsspannungen
nutzbar gemacht werden. Die Höhe der Versorgungsspannung ist im wesentlich nur von
der zulässigen Isolationsspannung der Spule begrenzt. Im Betrieb werden Schwankungen
der Versorgungsspannung durch Anpassung der Einschaltdauer ausgeglichen, sodass der
mittlere Spulenstrom konstant bleibt.
[0010] Im Einschaltmoment steigt der Strom in der angeschlossenen induktiven Last in einer
e-Funktion an. Mit der Bewegung des Stellantriebes, d.h., der Auslenkung des Stellgliedes
von der Ruhelage in die aktive Endlage kommt es zu einer kurzfristigen Unterbrechung
des Stromanstiegs, welche zur Funktionsüberwachung ausgewertet werden kann.
[0011] Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Figuren
[0012] Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung,
- Fig. 2
- ein Schaltbild einer Schaltung in einer gegenüber Fig. 1 konkretisierten Ausführungsform,
- Fig. 3 - 5
- Diagramme von Spannung und Strom über der Zeit an verschiedenen Ventilspulen als Last.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
[0013] Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie
nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung oder die erläuterte Vorgehensweise
im Rahmen des Verfahrens beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren
können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen
zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung
und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen
sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang
eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.
[0014] Das im Folgenden beschriebene Verfahren wird vorzugsweise an Stellgliedern von Ventilen
an einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung plastifizierbarer Materialien, insbesondere
an einer Kunststoff-Spritzgießmaschine verwendet.
[0015] In der Ansteuerschaltung 80 gemäß Fig. 1 wird über wenigstens ein Schaltelement 10
eine Versorgungsspannung U
V über die Ausgänge 80.4, 80.5 an eine angeschlossene Last 100 angelegt. Diese Last
ist im Ausführungsbeispiel z.B. die Spule eines Stellantriebs eines Ventils mit Stellelement
und Schieber. Die Schaltung ist über Eingang 80.2 an der Versorgungsspannung U
V und über Eingang 80.3 an GND angeschlossen. Das Schaltelement 10 wird über ein Steuerelement
60 über Anschlüsse 60.2 ein- bzw. ausgeschaltet. Zusätzlich zum Schaltelement 10 ist
ein Stromsensor 20 vorgesehen. Ist das Schaltelement 10 geschlossen, fließt Strom
vom Versorgungspin 80.2 über Stromsensor 20, Schaltelement 10 und über die angeschlossene
Last 100 nach GND. Das elektromagnetische Stellglied schaltet ein.
[0016] Beim Einschalten erfolgt eine zeitlich begrenzte Übererregung, d.h. ein Betrieb mit
einer Leistung, welche deutlich über der Nennleistung des elektromagnetische Stellantriebes
liegt, so dass sich Ventile niedriger Nennleistung auch unter höherer Spannung mit
größerer Schaltgeschwindigkeit betreiben. An Hand der dabei auftretenden Strom- und
Spannungscharakteristik beim Anlegen der Versorgungsspannung an den Stellantrieb kann
auf den Stellantrieb bzw. das Ventil geschlossen werden, der dann entsprechend unter
Pulsweitenmodulation bei seiner Nennleistung betrieben wird. Vorzugsweise ist die
Versorgungsspannung wenigstens so hoch wie die Nennspannung des Stellantriebs.
[0017] Der dabei fließende Strom wird dem Steuerelement 60 vom Stromsensor 20 als Information
zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird die Höhe der Versorgungsspannung U
V gemessen. Aus den beiden Informationen Strom (hier Spulenstrom) und Spannung (hier
Versorgungsspannung) kann die Impedanz der Last 100 errechnet werden. Die Einrichtung
zur Erfassung von Strom und Versorgungsspannung kann im Steuerelement 60 integriert
oder extern vorhanden sein. Der Stromsensor 20 kann auch im Schaltelement 10 integriert
sein.
[0018] Die Entscheidung, mit welcher Leistung die Last (Spule des elektromagnetischen Stellgliedes)
betrieben werden muss, wird im Steuerelement 60 anhand der berechneten Impedanz festgelegt.
[0019] Erkennt das Steuerelement 60 als Last eine Spule niedrigerer Nennleistung, wird das
Schaltelement 10 vom Steuerelement 60 im Taktbetrieb geschaltet und somit über eine
pulsweitenmodulierte Spannung die Leistung an die Last der Spule angepasst. Die Einschaltdauer
innerhalb des Taktbetriebes ist auch abhängig von der angelegten Versorgungsspannung
U
V. Mit steigender Versorgungsspannung wird die Einschaltdauer reduziert und umgekehrt.
Durch diese Anpassung wird der mittlere Spulenstrom auch bei variabler Versorgungsspannung
U
V konstant gehalten.
[0020] Dem Steuerelement ist eine Vielzahl verschiedener induktiver Lasten unterschiedlicher
Nennleistung bekannt. Die Erkennung des jeweiligen Stellelements erfolgt über den
Strom und die Höhe der Versorgungsspannung im übererregten Zustand. Die Schaltfrequenz
der Pulsweitenmodulation (PWM) ist so hoch gewählt, dass die induktive Last wie die
Speicherdrossel eines Schaltreglers wirkt. An der Ventilspule stellt sich ein "quasi"
DC Strom mit geringer Restwelligkeit ein. Spulenstrom und Versorgungsspannung werden
vorzugsweise in jedem Takt gemessen. Die Versorgungsspannung U
V muss mindestens so hoch sein, wie die Nennspannung der angeschlossenen Last. Überschreitet
die Versorgungsspannung die Nennleistung des Stellelements, wird dynamisch in den
Taktbetrieb gewechselt (und wieder zurück). Die Stellelemente können somit deutlich
über Nennspannung betrieben werden (begrenzt nur durch die Isolationsfestigkeit der
Isolierung des Spulendrahtes). Die PWM wird dynamisch der Versorgungsspannung angepasst.
Somit können mit einer Spannungsquelle Lasten verschiedenster Nennspannung betrieben
werden.
[0021] Anhand des Spulenstromes kann das Schalten der Last erkannt werden und somit Ventilklemmer,
z.B. durch Fremdkörper, detektiert werden. Die Überwachung des Spulenstromes kann
als Kurzschlusserkennung genutzt werden, als elektronische Sicherung. Dies erhöht
die Kurzschlusssicherheit des Stellantriebs an sich
[0022] Die Schaltungseinrichtung kann einen zusätzlichen Steuereingang 80.1 aufweisen, durch
den das Ein- und Ausschalten der Schaltung an sich gesteuert werden kann
[0023] In der Ausführungsform der Fig. 2 sind in der Ansteuerschaltung 80 zwei Schaltelemente
10, 30 vorgesehen. Beide Schaltelemente, die hier als MOSFET Schalter, logisch als
Schließer ausgeführt sind, werden über Steuerelement 60 über Anschlüsse 60.2, 60.3
ein- bzw. ausgeschaltet. Im Schaltungsbeispiel ist zusätzlich zum Schaltelement 10
ein Stromsensor 20 (hier z.B. ein Shunt Widerstand) vorgesehen. Mit 70 ist ein internes
Löschglied gekennzeichnet.
[0024] Sind beide Schaltelemente 10, 30 geschlossen, fließt Strom vom Eingang 80.2 über
Schaltelement 10, Stromsensor 20, über die angeschlossene Last 100 und über Schaltelement
30 nach GND. Das elektromagnetische Stellglied schaltet ein. Der dabei fließende Strom
wird dem Steuerelement 60 vom Stromsensor 20 über den A/D-Wandler 40 dem Steuerelement
60 am Eingang 60.5 als Information zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird die Höhe
der Versorgungsspannung gemessen und über den A/D-Wandler 50 zur Spannungsmessung
dem Steuerelement 60 am Eingang 60.4 zur Verfügung gestellt. Aus den beiden Informationen
Strom und Spannung wird die induktive Last bestimmt.
[0025] Die Schaltung arbeitet wie folgt. Gemäß Fig. 3 liegt zum Zeitpunkt t
EIN1 ein digitales Steuersignal am Eingang 60.1 des Steuerelementes an. Das Steuerelement
schließt zeitgleich beide Schaltelemente 10, 30. Somit liegt die Spannung U
LAST (U
V - Verluste an den Schaltelementen 10, 30 sowie am Stromsensor 20) an der angeschlossenen
Last 100 (Ventilspule). Der Spulenstrom I
LAST steigt in einer e-Funktion bis zum Zeitpunkt t
1. Durch die Bewegung des Stellglieds des Stellantriebes aus der Ruhelage in Richtung
aktive Endlage kommt es zu einer kurzfristigen Unterbrechung des Stromanstiegs, bis
zum Zeitpunkt t
2 das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t
3 den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t
3 identifiziert das Steuerelement anhand des Spulenstroms und der Versorgungsspannung
die Nennleistung der angeschlossenen Last 100. Im Beispiel der Fig. 3 ist keine Leistungsanpassung
mittels PWM erforderlich. Zudem kann der im Einschaltmoment zum Zeitpunkt t
2 auftretende Wendepunkt im Anstieg des Stromes zur Funktionsüberwachung des Stellantriebes
genutzt werden, da dieser Wendepunkt als Folge der Bewegung des Stellglieds auftritt.
Meist ist die Kurve des Stroms über die Zeit an dieser Stelle nicht monoton steigend
oder ggf. sogar unstetig
[0026] Ist als Last gemäß Fig. 4 eine Spule niedrigerer Nennspannung angeschlossen, wird,
nachdem der Stellantrieb sicher in Endlage ist, in den Taktbetrieb umgeschaltet. Der
Strom und somit die wirksame Leistung über die Spule wird auf den Nennwert des Bauelementes
reduziert, um eine thermische Zerstörung der Spule zu verhindern. In diesem Fall liegt
zum Zeitpunkt t
EIN2 ein digitales Steuersignal am Eingang 60.1 des Steuerelementes an. Das Steuerelement
schließt zeitgleich beide Schaltelemente 10, 30. Somit liegt die Spannung U
LAST an der angeschlossenen Last 100. Der Spulenstrom I
LAST steigt in einer e-Funktion bis zum Zeitpunkt t
4. Durch die Bewegung des Stellglieds des Stellantriebes aus der Ruhelage in Richtung
aktive Endlage kommt es auch hier zu einer kurzfristigen Unterbrechung des Stromanstiegs,
bis zum Zeitpunkt t
5 das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t
6 den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t
6 identifiziert das Steuerelement anhand des Spulenstroms und der Versorgungsspannung
die Nennleistung der angeschlossenen Last 100 und taktet wenigstens eines der Schaltelemente
10,30 zu den Zeitpunkten t
7, t
8. dadurch verringert sich bei getakteter Spannung U
LAST der Spulenstrom I
LAST.
[0027] Reduziert sich während des Betriebs die Versorgungsspannung, wird die Einschaltdauer
wie in Fig. 5 zum Zeitpunkt t
9 dargestellt entsprechend vergrößert und der Spulenstrom bleibt konstant, d.h., bei
getakteter Spannung gilt für den Strom I
LAST im ausgeregelten Zustand unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung U
V:

[0028] Durch die Übererregung des elektromagnetischen Stellantriebes werden die Streuungen
der Einschaltdauer über verschiedene Geräte einer Serie und/oder verschiedene Arbeitspunkte
minimiert.
Bezugszeichenliste
[0029]
- 10, 30
- Schaltelement
- 20
- Stromsensor
- 40
- A/D-Wandler zur Strommessung
- 50
- A/D-Wandler zur Spannungsmessung
- 60
- Steuerelement
- 60.1,60.4,60.5
- Eingang
- 60.2,60.3
- Anschlüsse
- 70
- internes Löschglied
- 80
- Ansteuerschaltung
- 80.1
- Steuereingang
- 80.2,80.3
- Eingang
- 80.4,80.5
- Ausgang
- 100
- Last
- tEIN1
- Zeitpunkt
- t1, t2, .. , t10
- Zeitpunkt
- ILAST
- Spulenstrom
- ULAST
- Spannungssignal
- UV
- Versorgungsspannung
1. Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebes mit einer Schaltungseinrichtung,
welche aufweist:
- einen Eingang (80.2) zum Anschluss an eine Versorgungsspannung (UV),
- einen Eingang (80.3) zum Anschluss an GND,
- zwei Ausgänge (80.4, 80.5) zum Anschluss eines Stellelements,
- mindestens ein Schaltelement (10, 30) zur Unterbrechung der Stromversorgung,
- eine Einrichtung (20) zur Erfassung des Stroms,
- ein Steuerelement (60) zur Messung von Strom und Versorgungsspannung sowie zur Steuerung
des wenigstens einen Schaltelements (10,30),
- das Stellelement, das von dem wenigstens einen Schaltelement (10,30) unter Pulsweitenmodulation
angesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement zeitlich begrenzt mit einer Leistung übererregt wird, welche über
der Nennleistung des Stellantriebs liegt, und dass das Steuerelement (60) anhand von
Strom und der Höhe der Versorgungsspannung des Stellelements im übererregten Zustand
die Nennleistung anhand einer Vielzahl dem Steuerelement bekannten, verschiedenen
induktiven Lasten unterschiedlicher Nennleistung bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des wenigstens einen Schaltelements (10,30) eine pulsweitenmodulierte Spannung
zur Anpassung der Leistung an die bestimmte Leistung im angeschlossenen elektromagnetischen
Stellantrieb erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtung einen zusätzlichen Steuereingang (80.1) besitzt, durch
den das Ein- und Ausschalten der Schaltungseinrichtung gesteuert werden kann
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20) zur Erfassung von Strom und Versorgungsspannung im Steuerelement
(60) integriert oder extern vorhanden ist oder dass die Einrichtung (20) zur Erfassung
des Stroms im Schaltelement (10) integriert ist
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des von mindestens einem der Schaltelemente (10,30) erzeugten,
getakteten Spannungssignal (ULAST) von der Höhe der Versorgungsspannung (UV) abhängt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei getakteter Spannung für den Strom (I
LAST) im ausgeregelten Zustand unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung (U
V) gilt:
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einschaltmoment (t2, t5) der wenigstens eine Wendepunkt im Anstieg des Stromes zur Funktionsüberwachung des
Stellantriebes genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz der Pulsweitenmodulation so hoch gewählt ist, dass das Stellelement
wie die Speicherdrossel eines Schaltreglers wirkt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenstrom und Versorgungsspannung vorzugsweise in jedem Takt gemessen werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (UV) größer gleich der Nennspannung (ULast) des Stellelements ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung plastifizierbarer Materialien,
insbesondere an einer Kunststoff-Spritzgießmaschine verwendet wird.