Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebs

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Stellantriebes ist eine Schaltungseinrichtung vorgesehen, die 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) zur Unterbrechung der Stromversorgung und eine Einrichtung (20) zur Erfassung des Stroms aufweist. Ein Steuerelement (60) dient zur Messung von Strom und Versorgungsspannung sowie zur Steuerung des wenigstens einen Schaltelements (10). Das Stellelement wird von dem wenigstens einen Schaltelement (10,30) unter Pulsweitenmodulation angesteuert. Dadurch, 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, werden Ventilspulen nach ihrer Nennspannung identifiziert und für den industriellen Einsatz nutzbar gemacht.

Beschreibung

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 (P₀) 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 P₀ 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 t₁. 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 t₂ das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t₃ den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t₃ 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 t₂ 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 t₄. 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 t₅ das Stellglied in Endlage ist. Der Stromanstieg erreicht zum Zeitpunkt t₆ den Maximalwert. Zum Zeitpunkt t₆ 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 t₇, t₈. 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 t₉ 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

t_EIN1

Zeitpunkt

t₁, t₂, .. , t₁₀

Zeitpunkt

I_LAST

Spulenstrom

U_LAST

Spannungssignal

U_V

Versorgungsspannung

Ansprüche

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 (U_LAST) von der Höhe der Versorgungsspannung (U_V) 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 (U_V) größer gleich der Nennspannung (U_Last) 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.

Zeichnung