Title:
Verfahren zum Laden eines Kondensators in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betritt ein Verfahren zum Laden eines Kondensators (09), welcher in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors angeordnet ist. In dem elektromagnetischen Aktor ist ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (11) verschiebbar. Die Spule (11) ist durch die elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar, um die Spule (11) durch einen Spulenstrom zu bestromen. Das Verfahren umfasst einen Schritt, in welchem die elektronische Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung versorgt wird. Die Spule (11) des Aktors wird bestromt, wodurch ein elektromagnetisches Feld in der Spule (11) aufgebaut wird. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Schalten eines ersten Schaltelementes (04), um den Spulenstrom durch die Spule (11) und durch den Kondensator (09) fließen zu lassen, wodurch das elektromagnetische Feld der Spule (11) abgebaut wird. embedded image




Inventors:
Giacomo, Fabio De (91341, Röttenbach, DE)
Traversa, Piergiacomo (90451, Nürnberg, DE)
Wang, Weigang (90489, Nürnberg, DE)
Application Number:
DE102016221170A
Publication Date:
05/03/2018
Filing Date:
10/27/2016
Assignee:
Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014220929A1N/A2016-04-21
DE102014220795A1N/A2016-04-14
DE102014200184A1N/A2015-07-09
DE102013213329A1N/A2015-01-08
DE102013201134A1N/A2014-07-24



Foreign References:
201101637692011-07-07
200501464082005-07-07
EP00916481983-10-19
Claims:
Verfahren zum Laden eines Kondensators (09), welcher in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors angeordnet ist, wobei in dem elektromagnetischen Aktor ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule (11) verschiebbar ist, die durch die elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar ist, um die Spule (11) durch einen Spulenstrom (20) zu bestromen; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Versorgen der elektronischen Steuerschaltung mit einer Betriebsspannung;
- Bestromen der Spule (11) des Aktors, wodurch ein elektromagnetisches Feld in der Spule (11) aufgebaut wird; und
- Schalten eines ersten Schaltelementes (04), um den Spulenstrom (20) durch die Spule (11) und durch den Kondensator (09) fließen zu lassen, wodurch das elektromagnetische Feld der Spule (11) abgebaut wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (04) parallel zum Kondensator (09) geschaltet ist und durch das Schalten geöffnet wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (09) auf eine Kondensatorspannung geladen wird, die größer als die Betriebsspannung ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung durch eine Batteriespannung gebildet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenstrom (20) dadurch ermittelt wird, dass eine über dem Kondensator (09) abfallende Spannung und/oder eine über einem Shunt (07) abfallende Spannung gemessen wird, wobei der Shunt (07) in Reihe mit dem ersten Schaltelement (04) geschaltet ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestromen der Spule (11) der Aktor in einer mechanischen Ruhestellung verbleibt.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestromen und das Schalten periodisch erfolgen, wobei die Spule (11) durch eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung bestromt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bestromen der Spule (11) der Aktor mechanisch geschaltet wird.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenstrom (20) während des Bestromens in einer Stromanstiegsphase (21) steigt, an welche sich eine Spitzenstromphase (22) anschließt, in welcher der Spulenstrom (20) von einem Spitzenstromphasenanfangswert auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert auf einen Spitzenstromphasenendwert steigt, wobei sich an die Spitzenstromphase (22) eine Haltestromphase (23) anschließt, in welcher der Spulenstrom (20) bis in einen Haltestromwertbereich sinkt, und wobei sich an die Haltestromphase (23) eine Auslaufstromphase (24) anschließt, in welcher der Spulenstrom (20) von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (04) zu Beginn der Haltestromhase (23) geschaltet wird, während der Spulenstrom (20) bis in den Haltestromwertbereich sinkt, und/oder dass das erste Schaltelement (04) zu Beginn der Auslaufstromphase (24) geschaltet wird, während der Spulenstrom (20) auf Null sinkt.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Kondensators, welcher in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors angeordnet ist. In dem elektromagnetischen Aktor ist ein Eisenkern durch eine Bestromung einer elektrischen Spule verschiebbar. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln.

Die US 2011/0163769 A1 zeigt ein Verfahren zum Erkennen mindestens einer mittleren Hubposition einer durch ein aktives Materialelement angetriebenen Last. In dieser mittleren Hubposition erfährt das Materialelement eine Belastungsänderung.

Aus der US 2005/0146408 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen des Erreichens einer Verschlussposition eines elektromagnetischen Schaltventiles bekannt, bei welchem der nach einer Deaktivierung des Schaltventiles fließende Strom ausgewertet wird.

Die DE 10 2013 213 329 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen der Funktionsweise eines Schaltventiles, welches einen in einer Spule verlaufenden Magnetkern und einen Ventilkörper umfasst, der mithilfe des Magnetkernes und der bestromten Spule in axialer Richtung bewegt wird.

Die DE 10 2014 220 929 A1 zeigt ein Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven Aktors. Bei diesem Verfahren wird eine Aktorspule bei Beginn der Bewegung eines Betätigungselementes mit einer größeren Spannung beaufschlagt. Die Spannung wird in Abhängigkeit von der zu erzielenden Geschwindigkeit des Betätigungselementes gewählt.

In der DE 10 2013 201 134 A1 ist ein Verfahren zum Betrieben eines Magnetventils beschrieben, bei welchem während einer Bestromungsphase der zeitliche Verlauf eines Stromes zum Bestromen des Magnetventils analysiert wird.

Die EP 0 091 648 A1 zeigt eine Erregerschaltung für impulsweise erregte Magnetventile, die einen Zeitgeber umfasst, der aus einem Transistor, einem Kondensator und einem Widerstand gebildet ist.

Aus der DE 10 2014 200 184 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Einspritzventilen bekannt. Gemäß dem Verfahren erfolgt eine zeitliche Taktung einer Versorgungsspannung, bis das Einspritzventil ganz geöffnet oder geschlossen ist. Die Schaltungsanordnung umfasst ein als Tiefpass wirkendes RC-Glied.

Die DE 10 2014 220 795 A1 lehrt ein Verfahren zur Vorgabe eines durch eine Magnetspule eines Magnetventils fließenden Stromes. Ein Schließzeitpunkt des Magnetventils wird mit einem Sensor erfasst. Der Strom durch die Magnetspule wird erhöht, wenn ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils erkannt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Verfahren bereitzustellen, durch welches ein Kondensator in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors auf eine erhöhte Spannung geladen werden kann, die insbesondere größer als eine Betriebsspannung ist.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Laden eines Kondensators, welcher in einer elektronischen Steuerschaltung eines elektromagnetischen Aktors angeordnet ist. Das Verfahren bildet insoweit einen Teil eines Verfahrens zum Betreiben bzw. zum Steuern des elektromagnetischen Aktors. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich bevorzugt um ein Schaltventil, welches beispielsweise in einem Automobil, in einer chemischen Anlage, in einer energietechnischen Anlage, in einer Maschine oder in einer medizintechnischen Anlage Verwendung findet. Das Schaltventil kann insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Schaltventil für eine hydraulische Steuerung eines Einlassventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Bei dem elektromagnetischen Aktor kann es sich aber auch beispielsweise um einen Hubmagneten handeln.

Der elektromagnetische Aktor umfasst einen Elektromagnetkern in Form eines Eisenkernes und eine elektrische Spule, in deren Inneren bevorzugt der Eisenkern angeordnet ist. Der Eisenkern ist durch eine Bestromung der elektrischen Spule verschiebbar, sodass elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird und der elektromagnetische Aktor das von ihm zu bewegende Element antreibt. Der Eisenkern ist in der elektrischen Spule bevorzugt in axialer Richtung der elektrischen Spule verschiebbar. Am Eisenkern ist ein Aktorelement angebracht, welches durch den Eisenkern verschoben wird. Bei dem Aktorelement handelt es sich bevorzugt um einen Ventilkörper, wenn der Aktor durch ein Schaltventil gebildet ist. Der Eisenkern kann aus Eisen oder aus einem anderen ferromagnetischen Material bestehen.

Zum Verschieben des Eisenkernes ist die Spule zu bestromen, wozu die elektrische Spule durch eine elektronische Steuerschaltung mit einer Spulenspannung beaufschlagbar ist, wodurch ein Spulenstrom in der Spule bewirkt wird. Die Steuerschaltung dient somit zum Betrieb des elektromagnetischen Aktors.

Der Kondensator dient dazu, die Spulenspannung auf einen Wert zu erhöhen, der größer als eine Betriebsspannung ist. Der Kondensator ist bevorzugt mit der Spule in Reihe schaltbar.

Die elektronische Steuerschaltung wird mit der Betriebsspannung versorgt, sodass aus dieser eine Speisung des elektromagnetischen Aktors erfolgt.

Bei einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spule des Aktors bestromt, wodurch ein elektromagnetisches Feld in der Spule aufgebaut wird.

Die elektronische Steuerschaltung umfasst ein erstes Schaltelement, welches dazu dient, die Steuerschaltung in einen Zustand zu bringen, in welchem der Spulenstrom durch die Spule und durch den Kondensator fließen kann. Bevorzugt dient das erste Schaltelement zum Überbrücken des Kondensators, welcher in Reihe mit der Spule geschaltet ist. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Schaltelement geschaltet, um die Steuerschaltung in den Zustand zu bringen, in welchem der Spulenstrom durch die Spule und durch den Kondensator fließen kann, sodass der Kondensator durch einen Abbau des zuvor in der Spule aufgebauten elektromagnetischen Feldes geladen wird. Bevorzugt ist das erste Schaltelement parallel zum Kondensator geschaltet. Ist das erste Schaltelement geschlossen, so ist der Kondensator überbrückt. Das Schalten des ersten Schaltelementes führt bevorzugt zum Öffnen des ersten Schaltelementes, sodass der durch die Spule fließende Spulenstrom auch durch den Kondensator fließen kann.

Die Energie zum Laden des Kondensators wird mittelbar über die Spule der Betriebsspannung entnommen. Der Kondensator wird bevorzugt auf eine Kondensatorspannung geladen, die größer als die Betriebsspannung ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators mindestens anderthalb Mal so groß wie die Betriebsspannung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators mindestens drei Mal so groß wie die Betriebsspannung. Die Kondensatorspannung des geladenen Kondensators kann bis zu fünf Mal oder mehr als fünf Mal so groß wie die Betriebsspannung sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die Betriebsspannung festgelegt ist und nicht erhöht werden kann. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen gegeben, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wo die Betriebsspannung von einer Batterie abgegriffen wird. Entsprechend ist die Betriebsspannung bevorzugt durch eine Batteriespannung gebildet. Die Batterie dient zum Speisen der Steuerschaltung und somit auch zum Betreiben des Aktors.

Der Spulenstrom wird bevorzugt mit einem Shunt bzw. einem niederohmigen Widerstand gemessen, der in Reihe mit dem ersten Schaltelement geschaltet ist. Hierzu wird die über dem Shunt abfallende Spannung gemessen. Der Spulenstrom wird bevorzugt weiterhin dadurch ermittelt, dass eine über dem Kondensator abfallende Spannung gemessen wird.

Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens verbleibt der Aktor beim Bestromen der Spule in einer mechanischen Ruhestellung. Der Aktor bleibt also mechanisch abgeschaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit in einem zeitlichen Abschnitt durchgeführt, in welchem der Aktor mechanisch abgeschaltet ist und bleibt. Der Spulenstrom weist daher einen Wert auf, der kleiner als ein Wert ist, der zum mechanischen Schalten der Aktors führt.

Bei der ersten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen erfolgen das Bestromen der Spule und das Schalten des ersten Schaltelementes bevorzugt periodisch, sodass der Kondensator schrittweise durch kleine Energiemengen geladen wird. Dabei wird die Spule bevorzugt durch eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung bestromt.

Beim periodischen Bestromen der Spule steigt der Spulenstrom bevorzugt periodisch von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert an. Beim Minimalwert handelt es sich bevorzugt um einen kleinsten steuerbaren Strom, welcher somit nur geringfügig größer als Null ist. Bei dem Maximalwert handelt es sich bevorzugt um einen größten Spulenstrom, der noch nicht zum mechanischen Schalten der Aktors führt. Nach dem Schalten des ersten Schaltelementes sinkt der Spulenstrom bevorzugt vom Maximalwert auf den Minimalwert.

Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen führt das Bestromen der Spule zum mechanischen Schalten des Aktors, sodass der Aktor mechanisch eingeschaltet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit innerhalb eines zeitlichen Abschnittes durchgeführt, in welchem der Aktor mechanisch eingeschaltet ist. Der Spulenstrom weist daher einen Wert auf, der zum mechanischen Schalten der Aktors führt.

Beim mechanischen Schalten des Aktors durchläuft der Spulenstrom verschiedene zeitliche Abschnitte. Bevorzugt steigt der Spulenstrom während des Bestromens zunächst in einer Stromanstiegsphase an. Die Stromanstiegsphase beginnt, wenn die Spulenspannung an die elektrische Spule angelegt wird. Der Spulenstrom steigt während der Stromanstiegsphase bevorzugt von Null bis zu einem Maximalstromwert an. Diesem Steigen des Spulenstromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. Beim Erreichen des Maximalstromwertes ist eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktors erfolgt. An die Stromanstiegsphase schließt sich bevorzugt eine Spitzenstromphase an, in welcher der Spulenstrom von einem durch den Maximalstromwert gebildeten Spitzenstromphasenanfangswert auf einen Spitzenstromphasenzwischenwert sinkt und vom Spitzenstromphasenzwischenwert auf einen Spitzenstromphasenendwert steigt. Diesem Sinken und Steigen des Spulenstromes kann ein geringer Wechselstromanteil überlagert sein. An die Spitzenstromphase schließt sich eine Haltestromphase an, in welcher der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt und dort verbleibt. Bevorzugt liegt zeitlich nach der Spitzenstromphase eine Auslaufphase, welche sich insbesondere an die Haltestromphase anschließt. Der zeitliche Beginn der Auslaufphase ist dadurch gegeben, dass die Spulenspannung abgeschaltet wird; d. h. dass der elektromagnetische Aktor elektrisch abgeschaltet wird. Während der Auslaufphase sinkt der Spulenstrom von einem Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null und steigt auf einen Auslaufphasenzwischenstromwert, woraufhin er vom Auslaufphasenzwischenstromwert auf einen Auslaufphasenendstromwert sinkt. Der Auslaufphasenendstromwert ist bevorzugt Null.

Der Kondensator wird bevorzugt zu Beginn der Haltestromhase geladen, während der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt. Somit wird das erste Schaltelement bevorzugt zu Beginn der Haltestromhase geschaltet, während der Spulenstrom bis in einen Haltestromwertbereich sinkt. Der Kondensator wird alternativ oder ergänzend bevorzugt zu Beginn der Auslaufstromhase geladen, während der Spulenstrom vom Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt. Somit wird das erste Schaltelement bevorzugt zu Beginn der Auslaufstromhase geschaltet, während der Spulenstrom vom Auslaufphasenanfangsstromwert auf Null sinkt.

Die elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt weiterhin eine Diode. Das erste elektronische Schaltelement, der Kondensator und die Diode sind so verschaltet, dass sie mit der anzuschließenden Spule einen Aufwärtswandler bilden. Somit kann der Kondensator auf eine Spannung geladen werden, die größer als eine Betriebsspannung der elektronischen Steuerschaltung ist. Die elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt ein zweites Schaltelement zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator, sodass der geladene Kondensator über die Spule entladbar ist und die Spulenspannung auf einen Wert größer als die Betriebsspannung erhöht werden kann.

Das erste Schaltelement ist bevorzugt durch einen Transistor gebildet; besonders bevorzugt durch einen MOSFET.

Die elektronische Steuerschaltung umfasst bevorzugt eine Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET und mit einem unteren MOSFET. Der untere MOSFET bildet bevorzugt das erste Schaltelement.

Die Diode ist bevorzugt durch eine Schottky-Diode gebildet. Der Kondensator ist bevorzugt durch einen Elektrolytkondensator gebildet.

Die Halbbrückenschaltung umfasst bevorzugt weiterhin ein elektronisches Freilaufelement, welches bevorzugt mit dem oberen MOSFET verschaltet ist. Das Freilaufelement ist bevorzugt durch einen MOSFET oder durch eine Schottky-Diode gebildet.

Das zweite Schaltelement bildet ein Erhöhungsschaltelement, da es zum elektrischen Schalten der anzuschließenden Spule an den Kondensator dient. Das zweite Schaltelement ist bevorzugt durch einen MOSFET gebildet.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 eine Steuerschaltung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist,
  • 2 einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes im Ergebnis einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 einen Ausschnitt des in 2 gezeigten zeitlichen Verlaufes im Detail;
  • 4 ein Ersatzschaltbild der Steuerschaltung in einer Ein-Phase;
  • 5 einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes während der Ein-Phasen;
  • 6 ein Ersatzschaltbild der Steuerschaltung in einer Aus-Phase;
  • 7 einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes während der Aus-Phasen;
  • 8 einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes und einer Kondensatorspannung;
  • 9 einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung in einer Ruhephase;
  • 10 einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung in einer Schaltphase; und
  • 11 eine Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform.

1 zeigt einen Schaltplan einer Steuerschaltung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden ist. Die Steuerschaltung wird durch eine Batterie 01 versorgt. Eine Spannung der Batterie 01 stellt somit die Betriebsspannung dar. Parallel zur Batterie 01 ist ein Stützkondensator 02 geschaltet. Die Steuerschaltung umfasst eine Halbbrückenschaltung mit einem oberen MOSFET 03 und einem unteren MOSFET 04 sowie einem Freilauf-MOSFET 06. Der untere MOSFET 04 ist über einen Shunt 07 gegen Masse geschaltet. Die Steuerschaltung umfasst weiterhin eine Schottky-Diode 08 und einen Kondensator 09 in Form eines Elektrolytkondensators, die gemeinsam mit dem unteren MOSFET 04 und einer elektrischen Spule 11 eines elektromagnetischen Aktors (nicht gezeigt) einen Aufwärtswandler bilden, der auch als DC-DC-Wandler bezeichnet werden kann.

Die Steuerschaltung; insbesondere der untere MOSFET 04 wird bevorzugt so angesteuert, dass eine Kondensatorspannung am Kondensator 09 mindestens anderthalb mal so groß wie die Batteriespannung wird. In dem Aktor wird ein Eisenkern (nicht gezeigt) bewegt. Bei dem elektromagnetischen Aktor handelt es sich insbesondere um ein Schaltventil.

Die Steuerschaltung umfasst weiterhin einen Erhöhungs-MOSFET 12, mit welchem die gegenüber der Batteriespannung erhöhte Kondensatorspannung des Kondensators 09 an die Spule 11 geschaltet werden kann.

Da die Kondensatorspannung des Kondensators 09 höher als die Batteriespannung der Batterie 01 wird, umfasst die Steuerschaltung eine weitere Diode 13 vor der Batterie 01.

2 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Spulenstromes 20 im Ergebnis einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Spulenstrom 20 fließt in der elektrischen Spule 11 (gezeigt in 1) des elektromagnetischen Aktors.

Der Spulenstrom 20 steigt nach der Beaufschlagung der Spule 11 (gezeigt in 1) durch eine Spulenspannung während einer Stromanstiegsphase 21 an und durchläuft eine Spitzenstromphase 22, woraufhin er bis zum Ende der Beaufschlagung durch die Spulenspannung in einer Haltestromphase 23 verbleibt. Nach der Beaufschlagung durch die Spulenspannung schließt sich eine Auslaufstromphase 24 an.

Die Stromanstiegsphase 21, die Spitzenstromphase 22, die Haltestromphase 23 und die Auslaufstromphase 24 befinden sich in einer Schaltphase 26, in welcher der Aktor (nicht gezeigt) mechanisch eingeschaltet, gehalten und abgeschaltet wird. Nach der Schaltphase 26 folgt eine Ruhephase 27, sobald das Abschalten des Aktors (nicht gezeigt) abgeschlossen ist und der Spulenstrom 20 unverändert Null bleibt. In der Ruhephase 27 ist der Aktor (nicht gezeigt) mechanisch abgeschaltet.

Es sind eine erste Ladephase 28, eine zweite Ladephase 29 und eine dritte Ladephase 31 dargestellt, die bevorzugt alternativ oder gemeinsam genutzt werden, um den Kondensator 09 (gezeigt in 1) erfindungsgemäß zu laden. Die erste Ladephase 28 liegt am Beginn der Haltestromphase 23, während der Spulenstrom 20 sinkt. Die zweite Ladephase 29 liegt am Beginn der Auslaufstromphase 24, während der Spulenstrom 20 auf Null sinkt. Die dritte Ladephase 31 liegt in der Ruhephase 27.

3 zeigt einen Ausschnitt des in 2 gezeigten zeitlichen Verlaufes des Spulenstromes 20 im Detail. Es ist insbesondere der Verlauf des Spulenstromes 20 in der dritten Ladephase 31 dargestellt. Der Spulenstrom 20 steigt zunächst von Null bis zu einem maximalen Stromwert Ipvh, welcher so groß ist, dass der Aktor (nicht gezeigt) in seinem mechanischen Ruhezustand verbleibt. Hierdurch wird ein elektromagnetisches Feld in der Spule 11 (gezeigt in 1) aufgebaut. Während dieser Zeit ist der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) eingeschaltet, sodass der Kondensator 09 (gezeigt in 1) weitestgehend überbrückt ist. Diese zeitliche Phase wird als Ein-Phase 33 bezeichnet. Zum Zeitpunkt des Erreichens des maximalen Stromwertes Ipvh wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) ausgeschaltet, sodass der Spulenstrom 20 in den Kondensator 09 (gezeigt in 1) fließt und diesen lädt. Diese zeitliche Phase wird als Aus-Phase 34 bezeichnet. Das zuvor in der Spule 11 (gezeigt in 1) aufgebaute elektromagnetische Feld wird abgebaut. Der Spulenstrom 20 sinkt bis zu einem minimalen Stromwert Ipvl, welcher so klein ist, dass er gerade noch steuerbar ist. Zum Zeitpunkt des Erreichens des minimalen Stromwertes Ipvl wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) wieder eingeschaltet. Dieser Ablauf wird periodisch wiederholt. Der obere MOSFET 03 (gezeigt in 1) bleibt währenddessen permanent eingeschaltet.

4 zeigt ein Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten Steuerschaltung in einer der in 3 gezeigten Ein-Phasen 33. Der obere MOSFET 03 und der untere MOSFET 04 sind eingeschaltet.

5 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes 20 während der in 3 gezeigten Ein-Phasen 33. Der Spulenstrom 20 iL verläuft in den einzelnen Ein-Phasen 33 (gezeigt in 3) gemäß folgender Formel: iL=Isat(1eLRt)embedded image

Der Spulenstrom 20 iL verläuft in der ersten Ein-Phase 33 (gezeigt in 3) gemäß folgender Formel: iL=Isat(1eLRt)+ipvleLRtembedded image

Bei dem Strom isat handelt es sich um einen Sättigungsstrom der Spule 11 (gezeigt in 1).

Bei einem üblichen Aktor (nicht gezeigt) ist das Verhältnis L/R klein, sodass die Frequenz des Spulenstromes 20 klein ist, was zu einer guten EMV führt.

6 zeigt ein Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten Steuerschaltung in einer der in 3 gezeigten Aus-Phasen 34. Der obere MOSFET 03 ist eingeschaltet, während der untere MOSFET 04 ausgeschaltet ist.

7 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes 20 während der in 3 gezeigten Aus-Phasen 34. Der Spulenstrom 20 iL verläuft in den einzelnen Aus-Phasen 34 (gezeigt in 3) gemäß folgender Formel: iL=K1e(R2L(R2L)21LC)t+K2e(R2L(R2L)21LC)tembedded image

8 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Spulenstromes 20 und einer Kondensatorspannung 36 während der Schaltphase 26 und der Ruhephase 27. Bei der Kondensatorspannung 36 handelt es sich um die am Kondensator 09 (gezeigt in 1) anliegende Spannung VC. Der Verlauf zeigt, wie die Kondensatorspannung 36 in der ersten Ladephase 28, der zweiten Ladephase 29 und der dritten Ladephase 31 steigt.

9 zeigt einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in der Ruhephase 27 (gezeigt in 2) durchzuführen ist. Zunächst wird geprüft, ob ein Ende der Schaltphase 26 (gezeigt in 2) vorliegt und ein Leerlauf ausgeschlossen werden kann. Ist dies der Fall, so wurde die Ruhephase 27 (gezeigt in 2) festgestellt und es wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) eingeschaltet. Der untere MOSFET 04 bleibt eingeschaltet, bis der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) den maximalen Stromwert Ipvh erreicht hat. Wenn der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) den maximalen Stromwert Ipvh erreicht hat, wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) abgeschaltet. Der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) sinkt daraufhin. Sobald der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) den minimalen Stromwert Ipvl erreicht hat, wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) wieder eingeschaltet. Diese Schritte werden wiederholt, bis der Kondensator 09 (gezeigt in 1) auf die Spannung VP geladen wurde oder bis eine neue Schaltphase 26 (gezeigt in 2) beginnt.

10 zeigt einen Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in der Schaltphase 26 (gezeigt in 2) durchzuführen ist. Zunächst wird geprüft, ob ein Ende der Spitzenstromphase 22 (gezeigt in 2) vorliegt und ob die Spannung des Kondensators 09 (gezeigt in 1) kleiner als eine Schwelle Vp_low oder eine Schwelle Vp_med ist. Entsprechend wird Ith = 0,5 (Ipeak - Ihold) bzw. Ith = 0,25 (Ipeak - Ihold) festgelegt. Wenn die Spannung des Kondensators 09 (gezeigt in 1) kleiner als eine Schwelle Vp_high ist, wird Ith = 0,1 (Ipeak - Ihold) festgelegt. Nach Festlegung von Ith auf einen der drei Werte werden der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) und der obere MOSFET 03 (gezeigt in 1) ausgeschaltet. Sobald der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) die zuvor festgelegte Schwelle Ith erreicht hat, wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) eingeschaltet. Ist die Schaltphase 26 (gezeigt in 2) beendet, werden der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) und der obere MOSFET 03 (gezeigt in 1) ausgeschaltet.

Wenn die Spannung des Kondensators 09 (gezeigt in 1) die Schwelle Vp_high erreicht hat, wird der untere MOSFET 04 (gezeigt in 1) eingeschaltet und der obere MOSFET 03 (gezeigt in 1) ausgeschaltet. Sobald der Spulenstrom 20 (gezeigt in 2) auf einen Haltestromwert gesunken ist, ist der Beginn der Haltestromphase 23 (gezeigt in 2) abgeschlossen.

Die Festlegungen der Schwelle Ith sind beispielhaft. Statt der Faktoren 0,1; 0,25 und 0,5 können auch abweichende Faktoren genutzt werden.

11 verbildlicht eine Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform. Es ist ein zeitlicher Verlauf des Spulenstromes 20 in der dritten Ladephase 31 dargestellt. Der Spulenstrom 20 steigt von Null bis zum maximalen Stromwert Ipvh, welcher so groß ist, dass der Aktor (nicht gezeigt) in seinem mechanischen Ruhezustand verbleibt. Nach der Ein-Phase 33 schließt sich wiederum die Aus-Phase 34 an, in welcher das zuvor in der Spule 11 (gezeigt in 1) aufgebaute elektromagnetische Feld abgebaut wird. Der Spulenstrom 20 sinkt bis zum minimalen Stromwert Ipvl. In weiteren Perioden steigt der Spulenstrom 20 nur bis 75%Ipvh bzw. 50%Ipvh, wodurch die Frequenz des Spulenstromes 20 steigt. Somit kann durch eine Wahl des maximalen Stromwertes die Frequenz des Spulenstromes 20 beeinflusst werden, sodass Frequenzen, welche die EMV mindern, vermieden werden können.

Bezugszeichenliste

01
Batterie
02
Stützkondensator
03
oberer MOSFET
04
unterer MOSFET
05
-
06
Freilauf-MOSFET
07
Shunt
08
Schottky-Diode
09
Kondensator
10
-
11
elektrische Spule
12
Erhöhungs-MOSFET
13
Diode
14
-
15
-
16
-
17
-
18
-
19
-
20
Spulenstrom
21
Stromanstiegsphase
22
Spitzenstromphase
23
Haltestromphase
24
Auslaufstromphase
25
-
26
Schaltphase
27
Ruhephase
28
erste Ladephase
29
zweite Ladephase
30
-
31
dritte Ladephase
32
-
33
Ein-Phase
34
Aus-Phase
35
-
36
Kondensatorspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 2011/0163769 A1 [0002]
  • US 2005/0146408 A1 [0003]
  • DE 102013213329 A1 [0004]
  • DE 102014220929 A1 [0005]
  • DE 102013201134 A1 [0006]
  • EP 0091648 A1 [0007]
  • DE 102014200184 A1 [0008]
  • DE 102014220795 A1 [0009]