(57)【要約】本発明は、制御スイッチ（１８）により、下部しきい値（ｉ1）に到達した際にはスイッチオンし、上部しきい値（ｉ2）に到達した際にはスイッチオフする電気的に動作するアクチュエータの位置付け要素の位置（ｘ）を決定する方法に関する。下部しきい値（ｉ1）、上部しきい値（ｉ2）、および位置付け要素の位置（ｘ）に応じたアクチュエータの電気的スイッチングプロファイルからオン持続時間（ｔon）とオフ持続時間（ｔoff）を生成し、オン周期（ｔon）又はオフ周期（ｔoff）と、オン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と、の商の比較、ならびにオン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と保存されている基準データとの比較から位置付け要素の位置（ｘ）を決定する。また、本発明は、この方法を実行する対応する回路構成（２４）および対応する装置（１２）（特に、油圧バルブ（４２））にも関連している。
2005534189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号（１８）により、下部しきい値（ｉ1）に到達した場合にはスイッチオンし、上部しきい値（ｉ2）に到達した場合にはスイッチオフ可能な電気的に駆動可能なアクチュエータの制御要素の位置（ｘ）を決定するプロセスであって、前記下部しきい値（ｉ1）、前記上部しきい値（ｉ2）、および前記制御要素の前記位置（ｘ）に応じた前記アクチュエータの前記電気的スイッチング動作の関数としてオン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）を決定し、オン周期（ｔon）またはオフ周期（ｔoff）と、オン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と、の商の比較、ならびに、前記オン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と、対応する保存されている基準データと、の比較から前記制御要素の前記位置（ｘ）を決定するプロセス。
【請求項２】
前記アクチュエータの前記制御要素は、電磁石の電機子（１４）である請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記制御要素は、バルブ（４２）を作動させる請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記しきい値（ｉ1、ｉ2）は、事前設定可能であり、特に、保存されているプログラムによって選択および／または制御可能である請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５】
前記しきい値（ｉ1、ｉ2）への到達の監視、スイッチ（１８）のトリガ、および、前記基準データとの比較は、マイクロコントローラによって実行される請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６】
前記しきい値（ｉ1、ｉ2）への到達を監視するべく、前記アクチュエータに直列接続された抵抗器Ｒ1上の電圧信号を評価する請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
前記アクチュエータが接続された際に、前記保持電流を減少させる請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
前記アクチュエータをスイッチングする際に、前記回路電流を定格電流よりも増大させる請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項９】
制御信号（１８）により、下部しきい値（ｉ1）に到達した場合にはスイッチオンし、上部しきい値（ｉ2）に到達した場合にはスイッチオフ可能な電気的に駆動可能なアクチュエータの制御要素の位置（ｘ）を決定する回路システム（２４）であって、前記下部しきい値（ｉ1）、前記上部しきい値（ｉ2）、および前記制御要素の前記位置（ｘ）に応じた前記アクチュエータの前記電気的スイッチング動作の関数としてオン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）を取得し、前記オン周期（ｔon）またはオフ周期（ｔoff）は、電子コンピュータユニット（２０）による計測技術手段によって取得可能であり、前記電子コンピュータユニット（２０）により、オン周期（ｔon）またはオフ周期（ｔoff）と、オン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と、の商の比較、ならびに、前記オン周期（ｔon）およびオフ周期（ｔoff）の和（ｔon＋ｔoff）と、対応する保存されている基準データと、の比較から前記制御要素の前記位置（ｘ）を決定可能である回路システム。
【請求項１０】
装置（特に、油圧バルブ）（１２）であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプロセスを適用するための請求項９に記載の回路（２４）を有し、前記コンピュータユニット（２０）は、集積回路の形式であって、前記装置（１２）と組み合わせられて１つの構造的なユニットを形成している装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的に駆動可能なアクチュエータの制御要素の位置を決定するプロセス、ならびに、これに伴う回路、および装置（特に、油圧バルブ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなプロセスの適用領域の代表例は、例えば、電磁的に動作するバルブやスイッチである。この場合には、電磁石のインダクタンスは、電機子の位置によって左右される。従って、基本的には、インダクタンスを計測することにより、電機子の位置を決定することができる。
【０００３】
ＤＥ４３４１７９７Ａ１には、電磁的な電力消費装置、特に、内燃機関における燃料計測の分野に使用される装置を作動させるプロセスおよび装置が開示されている。電磁バルブを作動させることにより、注入プロセスの開始、注入プロセスの終了、ならびに、この結果、注入された燃料の量が明らかになる。このプロセスにおいては、電磁バルブの電機子がその端部位置に到達する明確な時点を知ることが必要である。このスイッチングの時点は、電磁バルブの電流の時間変動を分析することにより、決定可能である。電力損失の削減に関連し、ＤＥ４４２０２８２Ａ１には、このスイッチング時点を決定可能なタイムスロットにおける同期電圧制御について開示されている。
【０００４】
ＤＥ３３２６６０５Ａ１には、バルブ磁石の電機子の上昇位置を監視するプロセスおよび回路が開示されている。すなわち、交流電流成分を有する直流電流を巻線に供給する。この交流成分は、電機子の位置（従って、バルブの位置）に依存しており、高域通過フィルタにより、これを精密抵抗器において計測する。
【０００５】
このような従来のプロセスでは、設定されるスイッチング周波数がコイルの能動抵抗にも依存しており、このコイルの能動抵抗が相当程度に温度に依存していることから、結果的に、これが、電機子の位置に関連する出力信号において外乱変数として作用するという欠点を有している。この悪影響は、計測される直流電流成分に基づいて、回路技術面における対策によって相殺する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、このような当技術分野の現状における問題点を克服するプロセス、ならびに、これに伴う回路、および装置を開発することにある。高精度を有すると共に、特に温度の影響に対して十分な補償を行いつつ、制御要素の位置を決定可能にする必要がある。このプロセスならびに関連する回路および装置は、製造および維持管理の面において費用対効果に優れ、さらには信頼性の高い長期的な稼働を保証する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述の問題点は、請求項１に記載されたプロセスならびに下位の請求項に記載された回路および装置によって解決される。また、特殊な実施例については、従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明は、制御スイッチにより、下部しきい値に到達した際には係合され、上部しきい値に到達した際には係合解除される電気的に駆動可能なアクチュエータの制御要素の位置ｘを決定するプロセスの問題を、下部しきい値、上部しきい値、および制御要素の位置ｘに依存するアクチュエータの電気スイッチング動作の関数として係合の持続時間ｔonと係合解除の持続時間ｔoffを決定し、係合の持続時間ｔonまたは係合解除の持続時間ｔoffと、和ｔon＋ｔoffと、の商の比較、ならびに、係合の持続時間ｔonおよび係合解除の持続時間ｔoffの和ｔon＋ｔoffと、特定の保存されている基準データと、の比較から制御要素の位置ｘを決定することにより、解決することを請求するものである。
【０００９】
この電気的に駆動可能なアクチュエータは、例えば、電磁駆動可能なアクチュエータ、圧電駆動可能なアクチュエータ、または、電気制御信号に基づいて機械的な移動を実行し、この結果例えば閉ループでアクチュエータ要素またはスイッチング要素として作動するようなあらゆるタイプのアクチュエータ、であってよい。本発明の特定の実施例においては、このアクチュエータ要素は、電磁石の電機子である。この電機子の移動は、並進および／または回転運動であってよい。そして、並進移動の場合には、制御要素の制御経路は、１ミリメートル以下〜数センチメートルの範囲であってよい。
【００１０】
原則的には、係合の周期（オン周期）または係合解除の周期（オフ周期）と、係合および係合解除周期の和と、の商は、アナログコンピュータによっても決定可能であるが、例えば、干渉に対する耐性の観点から（あるいは、コストを考慮し）、ディジタル電子コンピュータによって決定することが好ましい。オンおよびオフ周期は、例えば、適切な高周波（任意選択により、中央の）サイクルのパルスをカウントすることにより、決定可能であり、このオンおよび／またはオフ信号は、高周波サイクルのスイッチング信号として機能するものである。また、保存されている基準データ（これは、通常、例えば、対象となる設計の特性を示すアクチュエータに基づいて、経験的な手段によって取得される）との比較も、電子コンピュータユニットによって実行することが好ましい。
【００１１】
オン周期および／またはオフ周期と、オン周期およびオフ周期の和と、の商は、パルス幅比率またはパルス幅繰返し率として表すことができ、これは、アクチュエータの制御要素の位置ｘと通常は、システム温度との両方によって左右される。対応する装置の動作時における一般的な温度の値は、５０〜１００℃の範囲であり、周辺の温度に応じて、この温度を上回る（あるいは、下回る）こともある。
【００１２】
保存されている基準データによって決定される商の比較は、一般には、それのみによっては、まだ制御要素の位置ｘの決定に十分な精度を保証するものではない。例えば、システムの近傍に取り付けた温度センサにより、この商に含まれている温度値を算出することができよう。当然のことながら、オン周期およびオフ周期の和を対応する基準データと比較することにより、温度の影響を補償することも好ましい。
【００１３】
例えば、保存されている基準データのペア「位置ｘ」および「温度Ｔ」（これらは、決定した商に基づいて入力されている）を使用し、決定されたオン周期およびオフ周期の和に基づいて、この決定された和信号に関連した対応する基準データが保存されている値のペアを有効なものとして決定するのである。この例においては、必要に応じて、決定された２つの値または保存された２つの値の間の中間値を算出するべく、補間を実施することも可能である。
【００１４】
この代わりに（あるいは、これに加えて）、アクチュエータの特定の設計を表すパラメータ化された等式を保存すべく比較を実行することも可能であり、これらの等式には、計測される商および和を変数として導入する。なお、制御要素の位置の決定には、商および和の両方を採用することが不可欠である。
【００１５】
本発明の特定の実施例においては、制御要素は、バルブ（例えば油圧バルブまたは空圧バルブ）を操作する。この対象となるバルブは、オン／オフバルブ、あるいは、事前設定された流れまたは圧力の連続的な調節のための制御バルブなどの比例バルブであってよい。
【００１６】
制御対象のスイッチは、トランジスタ（特に、ＭＯＳトランジスタ）などの無接点の電気的に制御されるスイッチであってよい。この種のスイッチは、第１および第２スイッチング電極に加えて、通常、第３の制御接続を有しており、これを通じて、磨耗を伴うことなしに、小さな制御出力により、低電力損失で高スイッチング出力を実現することができる。
【００１７】
電磁石の場合には、電磁石の巻線のコイル電流が制御される。このコイルには、上部および下部しきい値を事前に設定可能であり、これらの値は、特に、保存されたプログラムによって調節および／または制御することができる。この動作点の選択としきい値の差とにより、最終的な振動スイッチング動作が決定される。しきい値への到達を監視すべく、コイル電流が流れる抵抗器における電圧信号を評価する。この目的には、コイル巻線の能動抵抗を考慮することもできよう。無論、アクチュエータ（特に、コイル巻線）と直列に接続された能動抵抗を使用するほうが好ましく、能動抵抗は、分析制御装置の基準電位（特に、接地電位）側の電極の下流に位置することが好ましい。
【００１８】
本発明の特定の一実施例においては、しきい値への到達、および／またはスイッチのトリガ、および／または基準データとの比較、をマイクロコントローラによって監視する。いくつかの集積回路（または、場合によっては、単一の集積回路）が採用され、これらによって、入力信号のアナログ／ディジタル変換、およびオン周期とオフ周期との商および和の比較のための電子コンピュータユニット、ならびに、これに続いて、保存されている基準データとの比較が実行される。周波数等価信号を含むマイクロコントローラの出力信号は、アナログ手段によって符号化可能であること、および／または、別途記述されているように、ディジタル的に符号化することも可能である。また、マイクロコントローラは、有効な基準に従って必要な自己診断信号およびエラー信号を生成し、事前設定されたインタフェースを介して、これらの信号を出力することも可能である。
【００１９】
本発明の特定の一実施例においては、アクチュエータが接続された際に、保持電流を減少させる。この結果、対象の装置と機器環境全体とに対して、エネルギーの節約ならびに機械的および熱的な応力の削減の両方がもたらされる。保持電流は、例えば、定格コイル電流の低減、事前設定されたパルス幅比率の設定、またはこれらに類似の方法により、減少させることができる。
【００２０】
本発明の特定の一実施例においては、アクチュエータをスイッチングする際に、回路電流を定格電流よりも増大させる。この結果、必要に応じて、より高速なスイッチングプロセスを実現することができる。この回路電流の増加は、例えば、コイル巻線に直列接続された抵抗の一時的な短絡、過電圧の接続、またはこれらに類似の方法により、実現することができる。
【００２１】
また、本発明は、前述のプロセスに伴う回路を適用したスイッチングシステム、およびこのようなスイッチングシステムを有する装置（油圧バルブ）にも関連している。
【００２２】
本発明の特定の一実施例においては、コンピュータユニットが集積回路として設計され、信号処理を主に（あるいは、独占的に）ディジタル手段によって実行する。集積回路としての設計に伴う小型化により、回路システムを装置に一体化されたユニットとして設計することが可能になる。対応する干渉に対する耐性と処理速度とに加え、構造的な観点において、特に、アクチュエータに非常に近いところに電子回路を取り付けることが可能になる。
【００２３】
プロセスに関する前述の説明からわかるように、制御要素の位置ｘが決定可能であるのみならず、アクチュエータ（特に、コイル巻線）の温度Ｔも決定することができる。従って、別個の温度センサなしに、温度を決定可能である。アプリケーションの中には、コイル巻線の温度が装置内の媒体の温度（すなわち、例えば、油圧バルブ内の流体の温度）に略等しい（あるいは、少なくとも、この値を導出可能なある種の尺度に略等しい）ものが存在する。さらには、このように決定された温度を、過剰な温度から電磁石のコイル巻線を保護するために使用することも可能である。
【００２４】
本発明のその他の利点、特徴、および詳細については、従属請求項および以下の説明に記述されており、以下の説明においては、図面を参照し、一実施例について説明している。これらの請求項および説明において言及されている特徴は、個別に（あるいは、所与の組み合わせにおいて）本発明に不可欠なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明において請求する装置１２（図５）の電磁石のコイル巻線１０の時間軸ｔにおけるコイル電流ｉの変動を示している。接続プロセス（０＜ｔ＜ｔ1）においては、電磁石に定格電圧Ｕ0が印加され、この電圧から、コイル巻線の能動抵抗Ｒによって電流ｉ0の最終値が得られる（ここで、ｉ0＝Ｕ0／Ｒである）。一方、切断プロセス（ｔ1＜ｔ＜ｔ2）においては、定格電圧Ｕ0がコイル巻線１０から遮断され、この結果、電流ｉ（ｔ）は幾何級数的に減少する。関連する時定数ｔは、コイル巻線のコイルインダクタンスＬと能動抵抗Ｒとの商によって決定される。なお、この図１に示されているｉ（ｔ）の変動におけるシステムの温度Ｔを第１の値Ｔ1と表記することとする。
【００２６】
電磁石（これは、本発明において請求する装置１２の図５の模範的な実施例においては、油圧比例バルブ４２として示されており、軸方向に移動可能な電機子１４を有している）のインダクタンスＬは、コイル巻線１０に対する電機子１４の位置ｘによって左右される。従って、図１の電流変動ｉ（ｔ）の出発点として、第１の位置ｘ1においてコイルインダクタンスＬ1が得られる。
【００２７】
図４に示されている回路システムにおいては、コイル電流によって精密抵抗器Ｒ１上に発生する電圧降下を評価し、下部しきい値ｉ1に到達した際に、スイッチ１８が制御装置１６によって接続されるようにすることにより、コイル巻線１０の電気的な動作点を設定することができる。上部しきい値ｉ2に到達した際には、スイッチ１８は切断される。この結果、図１に示されているコイル電流ｉ（ｔ）の変動が発生することになる。このオン周期ｔonおよびオフ周期ｔoffは、下部しきい値ｉ1、上部しきい値ｉ2、およびコイル巻線のインダクタンスＬの選択結果によって左右され、従って、電機子１４の位置ｘとコイル巻線の能動抵抗Ｒとに依存しており、この抵抗Ｒは、コイル巻線１０の温度に依存している。
【００２８】
図２には、電機子１４が第２の位置ｘ2に位置する（ただし、温度Ｔ1は変化していない）同一のコイル巻線１０における変動ｉ（ｔ）が示されている。この位置ｘ2においては、電機子１４は、コイル巻線１０内にさらに進入しており、この結果、インダクタンスＬとしてＬ2（ｘ2）は、電機子１４が位置ｘ＝ｘ１に位置する場合のインダクタンスＬ1（ｘ1）よりも大きなものになっている。
【００２９】
このｔonまたはｔoffと和ｔon＋ｔoffとの商（図３を参照されたい）とを有する図２に示されている電流変動ｉ（ｔ）は、電機子１４の位置ｘ＝ｘ1を変化させることなく、温度が相応して上昇した（Ｔ2＞Ｔ1）場合にも得ることができる。従って、この電流変動ｉ（ｔ）の変化のみから、このような変動が電機子１４の位置の変化および／または温度Ｔの変化によってもたらされたものであるかどうかを明確に決定することは不可能である。
【００３０】
図３は、下部または上部しきい値ｉ1またはｉ2の領域における図２の電流変動ｉ（ｔ）の拡大図を示している。この図示の動作点においては、オン周期ｔonとオフ周期ｔoffとが得られる。これらの値を制御装置１６（図４）の電子コンピュータユニット２０によって取得し評価することにより、まず、オン周期ｔonと、オン周期ｔonおよびオフ周期ｔoffの和ｔon＋ｔoffと、の商を形成する。そして、この商を制御装置１６内の電子ストレージ手段２２内のファイル上の基準データと比較する。なお、この保存されている基準データは、関連する装置１２の設計特性を示す１つまたは複数の標本から経験的に決定されたものである。この基準データは、永久保存するか、あるいはプログラミングによって変更可能である。例えば、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）またはプログラム可能な読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ）をストレージ装置１６に組み込んだり、あるいは着脱自在に挿入することができる。
【００３１】
さらに、制御装置１６により、和（ｔon＋ｔoff）を形成し、電子ストレージ手段２２内に保存されている適切な基準データと比較する。この比較により、装置１２の電機子１４の位置ｘとコイル巻線１０の温度Ｔとの両方を決定可能であり、この比較作業は、プログラムによって制御され、対応する制御プログラムの自動処理によって実行されることが好ましい。
【００３２】
本発明において請求する回路２４の図４に示されている典型的な実施例においては、スイッチ１８は、無視可能な小さな駆動電力により、小さな順抵抗を有する高負荷をスイッチング可能なＭＯＳトランジスタの形態になっている。コイル巻線１０および精密抵抗器Ｒ1の直列接続と並列に、フリーホイーリングダイオードＤが接続されている。静止状態に到達して、例えば、接続された後に、制御装置１６は、例えば、事前設定されたパルス幅比率により、保持電流を減少させることができる。制御装置１６は、迅速なスイッチングプロセスのために、例えば、精密抵抗器Ｒ1を短絡したり、あるいは短時間の過電圧により、回路電流を短期間だけ増大させることができる。この制御装置１６は、マイクロコントローラを使用するか、あるいはマイクロコントローラの形式になっていることが好ましく、電機子１４の位置ｘの信号４４に加え、任意選択により、既存の基準を満たす自己診断および／または障害信号４６を出力することも可能である。
【００３３】
図５は、本発明において請求する装置１２の断面図を示している。この典型的な実施例は、電磁的に駆動可能な油圧比例バルブ４２を表している。常磁性または反磁性の電機子１４は、コイル巻線１０の領域内に、例えば、スリーブの形態のケーシング２６を有しており、これはフェリ磁性または強磁性であることが好ましい。電流がコイル巻線１０に印加されると、電機子１４は、バルブ４２内に取り付けられたエネルギーアキュムレータ２８の動作による抵抗力を受ける（このエネルギーアキュムレータは、例えば、つる巻きばねの形態であってよい）。
【００３４】
電機子１４は、バルブ４２の注入および排出チャネル３２、３４に対応すると共に、この実施例においては同一の方向に延長する穿孔３０を有している。この電機子１４の位置ｘにより、穿孔３０の有効な断面（従って、バルブ４２を通じた流体の流れ３６）が決定される。コイル巻線に電圧が印加されていない状態では、電機子１４は、端部に形成された（好ましくは、リング形状になっている）フランジ３８が（好ましくは、リング形状になっている）ベアリング表面４０に当接することによってバルブ４２が閉鎖する端部位置に位置することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】電機子が第１の位置ｘ1にある場合の時間軸ｔにおける電磁石のコイル電流ｉの変動ｉ（ｔ）を示す図である。
【図２】電機子が第２の位置ｘ2にある場合の変動ｉ（ｔ）を示す図である。
【図３】それぞれ下部および上部しきい値ｉ1およびｉ2の領域における図２に示されている電流変動ｉ（ｔ）の拡大図である。
【図４】本発明において請求する回路システムの実施例である。
【図５】本発明において請求する装置の断面図である。
【図１】
2005534189.tif 000003
【図２】
2005534189.tif 000004
【図３】
2005534189.tif 000005
【図４】
2005534189.tif 000006
【図５】
2005534189.tif 000007
【国際調査報告】
2005534189.tif 000008
2005534189.tif 000009
2005534189.tif 000010
2005534189.tif 000011
2005534189.tif 000012
2005534189.tif 000013