專利名稱：包含位置控制部件的電磁致動器及使用這種致動器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有處理單元的電磁致動器，該處理單元設(shè)計(jì)成作用在生成PWM型的調(diào)幅控制電壓的控制部件上。該致動器包含與控制部件連接的至少一個致動線圈、測量流入致動線圈中的電流的部件和計(jì)算電流的微分值的微分部件。本發(fā)明還涉及確定如上所述的電磁致動器的操作位置的方法。
背景技術(shù)：
知道電磁致動器的某些操作參數(shù)使所述致動器的最佳操作能夠得到保證。電磁致動器的操作與它的使用條件有關(guān)。某些外部條件尤其取決于要致動的裝備單元的性質(zhì)和/或數(shù)量、和/或使用致動器的溫度條件和/或所述致動器的供壓范圍。其他內(nèi)部條件尤其取決于致動器的老化狀態(tài)。當(dāng)在使用過程中能夠改變操作條件時，知道閉合和/或打開速 度可能是有用的。然后，知道可動銜鐵的位置和/或速度使勵磁線圈中的電流的值能夠得到調(diào)整，以便使可動部分對固定部分的沖擊力最小，和/或優(yōu)化在閉合階段或保持階段消耗的電流的數(shù)量。某些解決方案的關(guān)鍵在于使用使致動器的操作參數(shù)的值能夠被知道的附加傳感器。例如，某些解決方案使用位置和/或速度傳感器。但是，考慮到可用的空間很小以及與例如高溫有關(guān)的或多或少惡劣環(huán)境，傳感器的使用有時是復(fù)雜的。文獻(xiàn)FR2745913描述了一種不使用附加傳感器地測量電磁鐵的可動鐵芯的位置的方法。位置測量是通過測量電壓和流入這個電磁鐵的勵磁線圈中的電流進(jìn)行的。但是，在這種方法中，假設(shè)了當(dāng)磁路處在打開位置上和處在閉合位置上時磁路的電感是恒定的，即，尤其假設(shè)了磁路在閉合位置上是飽和的。但是，在接觸器或接觸器-電路斷路器型的許多開關(guān)單元中，磁路在閉合位置上是不完全飽和的，以便充分利用磁路的性能。因此，閉合位置上的電感不是恒定的，而是隨流入勵磁線圈中的電流大幅度地變化。這就是為什么這樣的方法那么不適用的原因。如文獻(xiàn)FR2835061、US5424637所述的其他解決方案也描述了不使用附加傳感器地測量電磁鐵的可動銜鐵的位置的方法。這些解決方案使用電壓和勵磁線圈中的電流的測量值來確定可動銜鐵的位置。文獻(xiàn)US5424637描述了通過充分使用電學(xué)、機(jī)械和磁學(xué)(力)方程估計(jì)位置的方法。那樣必須知道系統(tǒng)的所有電學(xué)、機(jī)械和磁學(xué)參數(shù)。但是，未考慮到尤其與磨損有關(guān)的機(jī)械參數(shù)的修正，這降低了估計(jì)的精度。文獻(xiàn)US5481187使操作位置能夠根據(jù)磁通關(guān)于電流的微分(D(flux)Di)計(jì)算出來。但是，由于磁通的變化也取決于飽和程度，因此只使用此公式難以精確確定位置。文獻(xiàn)EP1069284、FR2835061描述了通過電感值確定電磁鐵的銜鐵的位置的方法。關(guān)鍵在于按照如下公式進(jìn)行電感的計(jì)算
「 n [li -RIι = Α_
I
然后位置表能夠提供一方面電流I和電感L的計(jì)算或測量值與另一方面銜鐵的位置之間的相關(guān)性。這種方法盡管在理論上是令人滿意的，但存在幾方面缺點(diǎn)。事實(shí)上取決于積分運(yùn)算的電感L的計(jì)算在每次程序循環(huán)時都使某種累積誤差增大。例如，電感值的5%誤差在計(jì)算位置時可以導(dǎo)致20到30%的誤差。但是，當(dāng)將像PWM型那樣的調(diào)幅電壓供應(yīng)給線圈時，在這種情況下存在控制電壓的生成與測量系統(tǒng)之間的失配。PWM型的傳統(tǒng)調(diào)制在包含在20到40KHz之間的頻率上進(jìn)行。與這樣的頻率相對應(yīng)的循環(huán)時間包含在50 μ s到25ys之間。那樣1%的精度意味著小于I微秒的測量。常用于這種類型的應(yīng)用的處理單元的工作頻率是大約lOOys。因此，考慮到處理單元的工作時間周期遠(yuǎn)大于PWM調(diào)制的循環(huán)時間的事實(shí)，那樣難以在這些條件下對施加于線圈的電壓進(jìn)行精確測量。為了緩解后一個問題，必須使用包含更快微控制器的處理單元，但一般說來，對于這種類型的應(yīng)用太昂貴了。在計(jì)算時使用線圈的電阻值使得可以定期地進(jìn)行這個參數(shù)的測量。事實(shí)上溫度對后者的影響很大
發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提出了包含精確位置控制部件的電磁致動器。按照本發(fā)明的電磁致動器的處理單元包含致動線圈的供壓時段期間電流的第一微分值的第一存儲部件、和所述線圈的非供壓時段期間電流的第二微分值的第二存儲部件。該處理單元包含計(jì)算部件，以相繼地取決于電源總線電壓、和電流的第一和第二微分值確定第一計(jì)算系數(shù)，和根據(jù)操作位置、第一計(jì)算系數(shù)和電流的值之間的第一相關(guān)性確定電磁致動器的操作位置。按照一個優(yōu)選實(shí)施例，該第一和第二存儲部件與控制部件連接，以便使第一和第二微分值的存儲操作分別與致動線圈的供壓時段和非供壓時段同步。操作位置、第一計(jì)算系數(shù)和電流的值之間的第一相關(guān)性優(yōu)選地通過建立特定方程來表示。操作位置、第一計(jì)算系數(shù)和電流的值之間的第一相關(guān)性通過按照第一計(jì)算系數(shù)和電流值給出操作位置的第一表面曲線來表示。該處理單元優(yōu)選地包含以一個或多個方程的形式存儲第一曲線的存儲部件。該處理單元優(yōu)選地包含以數(shù)據(jù)表的形式存儲第一曲線的存儲部件，該數(shù)據(jù)表包含致動器的操作位置、第一計(jì)算系數(shù)和電流的多個值。按照本發(fā)明的一種發(fā)展模式，該處理單元包含從參考電流和/或參考電壓中測量致動線圈的總電阻的部件。該單元進(jìn)一步包含根據(jù)第一計(jì)算系數(shù)、線圈的總電阻、第二微分值和電流確定第二計(jì)算系數(shù)的計(jì)算部件；和從操作速度、第二計(jì)算系數(shù)、和在恒定電流上電感關(guān)于運(yùn)動的偏微分值之間的第二相關(guān)性中確定電磁致動器的操作速度的計(jì)算部件。恒定電流上電感關(guān)于操作位置的偏微分與操作位置和電流之間的第二相關(guān)性通過第二表面曲線來表不。該處理單元優(yōu)選地包含以數(shù)據(jù)表的形式存儲第二曲線的存儲部件，該數(shù)據(jù)表包含給出恒定電流上電感關(guān)于操作位置的偏微分相對操作位置和電流之間的對應(yīng)關(guān)系的多個操作點(diǎn)。
按照本發(fā)明的方法在于測量流入致動線圈中的電流，計(jì)算電流的微分值，存儲致動線圈的供壓時段期間電流的第一微分值，存儲所述線圈的非供壓時段期間電流的第二微分值，確定取決于電源總線電壓、和電流的第一和第二微分值的第一計(jì)算系數(shù)，以及從操作位置、第一計(jì)算系數(shù)和電流的值之間的第一相關(guān)性中確定電磁致動器的操作位置。按照本發(fā)明的一種發(fā)展模式，該方法在于從參考電流和/或參考電壓中測量致動線圈的總電阻，確定取決于第一計(jì)算系數(shù)、線圈的總電阻、第二微分值和電流的第二計(jì)算系數(shù)，以及從操作速度、第二計(jì)算系數(shù)、和在恒定電流上電感關(guān)于運(yùn)動的偏微分值之間的第二相關(guān)性中確定電磁致動器的操作速度。


本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征可以從只是為了非限制性示范的目的給出和表示在附圖中的本發(fā)明特定實(shí)施例的如下描述中更清楚地看出，在附圖中圖I代表按照本發(fā)明實(shí)施例的電磁致動器的示意圖； 圖2代表按照圖I的電磁致動器的處理部件的圖形；圖3示出了代表電磁致動器的空氣隙與所述致動器的第一計(jì)算系數(shù)和線圈中的電流之間的關(guān)系的第一表面曲線；以及圖4示出了代表恒定電流上電感關(guān)于操作位置的偏微分與操作位置和電流之間的關(guān)系的第二表面曲線。
具體實(shí)施例方式按照第一優(yōu)選實(shí)施例，電磁致動器100包含設(shè)計(jì)成作用在至少一個致動線圈3上的處理部件2。作為如圖I所表示的示范性實(shí)施例，電磁致動器100包含具有固定磁軛11和可動銜鐵12的磁路I。可動銜鐵12被裝配在固定磁軛11中?？蓜鱼曡F12和固定磁軛11因此形成存在可變空氣隙的可變形磁路。所述可動銜鐵12可在打開位置Kl與閉合位置K2之間移動。將DC電源總線電壓Ubus供應(yīng)給處理部件。處理部件2包含生成PWM型的調(diào)幅控制電壓Upwm的控制部件20。作為一個示范性實(shí)施例，控制部件20經(jīng)由控制晶體管Tl與致動線圈3連接?？刂凭w管Tl經(jīng)由它的基極接受電壓脈沖發(fā)生器21的命令。作為一個示范性實(shí)施例，脈沖發(fā)生器21在稱為供給時段Tm的時段期間發(fā)送供應(yīng)給致動線圈3的一系列脈沖。供給時段Tm與稱為非供給時段Irff的時段交替。供給時段Tm與非供給時段Irff之間的循環(huán)頻率等于40kHz。相應(yīng)循環(huán)時間等于25 μ S。處理部件2進(jìn)一步包含測量流入致動線圈3中的電流I的部件。該測量部件尤其可以包含與致動線圈3串聯(lián)的分路器24。授權(quán)連續(xù)測量電流的分路器24與連續(xù)計(jì)算電流I的微分值di/dt的微分部件25連接。按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，處理單元2包含電流I的微分值di/dt的存儲部件 Ml、M2。第一存儲部件Ml被設(shè)計(jì)成存儲致動線圈3的供壓時段1 期間電流I的第一微分值dii/dt。#第二存儲部件M2被設(shè)計(jì)成存儲所述致動線圈3的非供壓時段t。^期間電流的第二微分值di2/dtQff。
第一和第二存儲部件Ml、M2與控制部件20連接，且它們各自的操作與PWM型的脈沖發(fā)生器21同步。換句話說，在時間T記錄的每個第一微分值Cli1Mtm接著被在時間T+Tf記錄的另一個第一值取代，且在時間T記錄的每個第二微分值diVdtf接著被在時間T+Tm記錄的另一個第二值取代。因此第一和第二微分值dii/dtm、(Ii2Zdttxff的第一和第二存儲部件分別與致動線圈3的供壓和非供壓時段tm、toff同步。處理部件2包含取決于電源總線電壓Ubus和電流的第一和第二微分值di/dU、(IiVdttxff確定第一計(jì)算系數(shù)A的計(jì)算部件23。第一計(jì)算系數(shù)A從如下方程(I)中計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種具有處理單元(2)的電磁致動器(100)，該處理單元(2)設(shè)計(jì)成作用在生成PWM型的調(diào)幅控制電壓(Upwm)的控制部件(21)上，該致動器包含 -與控制部件(20)連接的至少一個致動線圈(3); -測量流入致動線圈(3)中的電流(I)的部件； -計(jì)算電流(I)的微分值(di/dt)的微分部件(25)； 該致動器的特征在于，該處理單元(2)包含 -致動線圈(3)的供壓時段(tm)期間電流的第一微分值(Cli1Altm)的第一存儲部件(MD ； -所述線圈(3)的非供壓時段Utjff)期間電流的第二微分值(Cli2Alttjff)的第二存儲部件(M2)； 計(jì)算部件(23)，用于相繼地 -取決于電源總線電壓(Ubus)、和電流的第一和第二微分值((Iiydtm, di2/dtoff)確定第一計(jì)算系數(shù)(A);和 -從操作位置U)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值之間的第一相關(guān)性中確定電磁致動器(100)的操作位置(X)。
2.按照權(quán)利要求I所述的電磁致動器，其特征在于，該第一和第二存儲部件(M1、M2)與控制部件(20)連接，以便使第一和第二微分值(Cli1Alt^di2Alttjff)的存儲操作分別與致動線圈(3)的供壓時段(tm)和非供壓時段Utjff)同步。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的電磁致動器，其特征在于，操作位置U)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值之間的第一相關(guān)性通過建立特定方程來表示。
4.按照權(quán)利要求I或2所述的電磁致動器，其特征在于，操作位置U)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值之間的第一相關(guān)性通過第一表面曲線(10)來表示，所述第一表面曲線(10)給出了操作位置(X)與第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值之間的關(guān)系。
5.按照權(quán)利要求4所述的電磁致動器，其特征在于，該處理單元(2)包含以一個或多個方程的形式存儲第一曲線(10)的存儲部件(22)。
6.按照權(quán)利要求4所述的電磁致動器，其特征在于，該處理單元(2)包含以數(shù)據(jù)表的形式存儲第一曲線(10)的存儲部件(22)，該數(shù)據(jù)表包含致動器的操作位置U)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值的多個值。
7.按照前面權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的電磁致動器，其特征在于，該處理單元包含 -從參考電流(Iref)和/或參考電壓(Uref)中測量致動線圈(3)的總電阻(R)的部件； -計(jì)算部件(23)，用于相繼地 -取決于第一計(jì)算系數(shù)(A)、線圈的總電阻(R)、第二微分值(Cli2Alttjff)和電流(I)確定第二計(jì)算系數(shù)(B);和 -從操作速度(V)、第二計(jì)算系數(shù)(B)、和在恒定電流上電感(L)關(guān)于運(yùn)動(X)的偏微分值之間的第二相關(guān)性中確定電磁致動器(100)的操作速度(V)。
8.按照權(quán)利要求7所述的電磁致動器，其特征在于，恒定電流上電感關(guān)于操作位置(X)的偏微分與操作位置(X)和電流(I)之間的第二相關(guān)性通過第二表面曲線(9)來表示。
9.按照權(quán)利要求8所述的電磁致動器，其特征在于，該處理單元(2)包含以數(shù)據(jù)表的形式存儲第二表面曲線(9)的存儲部件(22)，該數(shù)據(jù)表包含給出恒定電流上電感(L)關(guān)于操作位置(X)的偏微分與操作位置(X)和電流(I)之間的對應(yīng)關(guān)系的多個操作點(diǎn)。
10.一種確定按照前面權(quán)利要求所述的電磁致動器(100)的操作位置(X)的方法，該致動器包含 -設(shè)計(jì)成作用在生成PWM型的調(diào)幅控制電壓(Upwm)的控制部件(20)上的處理單元(2); -與控制部件(21)連接的至少一個致動線圈(3 ); -測量流入致動線圈(3)中的電流(I)的部件(24);以及 -計(jì)算電流的微分值(di/dt)的微分部件(25), 該方法的特征在于包含 -測量流入致動線圈(3)中的電流(I); -計(jì)算電流(I)的微分值(di/dt)； -存儲致動線圈(3)的供壓時段(tm)期間的第一微分值(di/dtj ； -存儲所述線圈的非供壓時段(Iff)期間的第二微分值(Cli2Alttjff); -確定取決于電源總線電壓(ubus)、以及第一和第二電流微分值(di^/dtm，di2/dtoff)的第一計(jì)算系數(shù)(A)； -從操作位置U)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)的值之間的第一相關(guān)性中確定電磁致動器(100)的操作位置(X)。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于包含 -從參考電流(Iref)和/或參考電壓(Uref)中測量致動線圈(3)的總電阻(R)； -取決于第一計(jì)算系數(shù)(A)、線圈的總電阻(R)、第二微分值(Cli2Alttjff)和電流(I)確定第二計(jì)算系數(shù)(B);以及 -從操作速度(V)、第二計(jì)算系數(shù)(B)、和在恒定電流上電感(L)關(guān)于運(yùn)動(X)的偏微分值之間的第二相關(guān)性中確定電磁致動器(100)的操作速度(V)。
全文摘要
一種具有處理單元(2)的電磁致動器(100)，該處理單元(2)設(shè)計(jì)成作用于在致動線圈(3)的端子上生成控制電壓(Upwm)的控制部件(20)上。該處理單元(2)包含存儲供壓時段(ton)期間的第一導(dǎo)數(shù)(di1/dton)的第一存儲部件(M1)；存儲非供壓時段(toff)期間的第二導(dǎo)數(shù)(di2/dtoff)的第二存儲部件(M2)；以及計(jì)算部件(23)。所述計(jì)算部件(23)相繼地取決于電源總線電壓(Ubus)、第一和第二導(dǎo)數(shù)(di1/dton，di2/dtoff)確定第一計(jì)算系數(shù)(A)；和基于操作位置(x)、第一計(jì)算系數(shù)(A)和電流(I)之間的第一相關(guān)性確定操作位置(x)。
文檔編號H01F7/18GK102934179SQ201180027410
公開日2013年2月13日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者C.布隆德爾 申請人:施耐德電器工業(yè)公司