DE10227278A1

DE10227278A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds

Info

Publication number: DE10227278A1
Application number: DE2002127278
Authority: DE
Inventors: Joachim Schenk; Klaus Ludwig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: DE10227278B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds mit einer Spannungsversorgung (12) und einem mit der Spannungsversorgung (12) und dem Stellglied (20) verbindbaren Steuergerät (14) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Steuergerät (14) zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel (16, 18) zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds (20) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds mit einer Spannungsversorgung und einem mit der Spannungsversorgung und dem Stellglied verbindbaren Steuergerät.

Elektromagnetische Stellglieder, wie beispielsweise Relais sind seit Langem bekannt. Ein elektromagnetisches Relais besteht beispielsweise aus einem Elektromagneten, einem Anker und einem Kontaktsatz. Fließt Strom in dem ansteuernden Stromkreis, so bewegt sich der Anker des Elektromagneten, um den elektrischen Kontakt zu schließen oder zu öffnen. Derartige Relais stellen wichtige Bauelemente der Fernmelde- und Steuerungstechnik sowie der Leistungselektronik dar.

Aufgrund des Schaltens mit mechanisch beweglichen Teilen verursachen solche elektromagnetischen Stellglieder beim Öffnen oder Schließen Geräusche. Diese Geräusche werden zunehmend als Belästigung empfunden, so dass nach Möglichkeiten der Geräuschreduzierung gesucht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass das Steuergerät zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds aufweist.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, zur Verminderung der Stellgeräusche die Stellgeschwindigkeit zu reduzieren. Diese Stellgeschwindigkeitsreduktion wird erfindungsgemäß durch die Modulation der Ansteuerspannung erreicht.

Durch die Maßnahme des Anspruchs 2 ist der Vorteil geschaffen, dass die Ansteuerung des Stellglieds mit der minimalen Ansteuerspannung die Stellgeschwindigkeit und damit verbunden auch die Geräuschentwicklung beim Stellvorgang in weitgehendem Umfang reduziert.

Gemäß Anspruch 3 kann das Stellglied darüber hinaus nach seiner Aktivierung mit der minimalen Haltespannung versorgt werden. Dadurch wird auch beim Ausschalten des Stellglieds eine niedrige Stellgeschwindigkeit sichergestellt.

Die Maßnahme des Anspruchs 4 erlaubt, das Stellglied beim Einschalten mit einer gegenüber der normalen Batteriespannung reduzierten Spannung anzusteuern, und so in einfacher Weise die Stellgeschwindigkeit und die Geräuschentwicklung beim Stellvorgang abzusenken.

In diesem Zusammenhang erlaubt die Maßnahme des Anspruchs 5 durch Ansteuerung des Transistors über einen Steuerschaltkreis ein automatisches geschwindigkeitsreduziertes Einschalten des Stellglieds über das Steuergerät.

Die Maßnahme des Anspruchs 6 bietet in diesem Zusammenhang der Vorteil, auch die reduzierte Ansteuerspannung stabil bereitstellen zu können.

Gemäß Anspruch 7 wird der Vorteil geschaffen, dass lediglich ein einziger Spannungspegel für die Ansteuerung des Stellglieds bereitgestellt werden muss, da die effektive Ansteuerspannung durch die Pulsweiten des modulierten Spannungsverlaufs gegeben ist.

Dabei wird gemäß der Maßnahme des Anspruchs 8 der Vorteil verwirklicht, dass auch ohne Spannungsreduktion die Mindesteinschaltspannung und gegebenenfalls auch die minimale Haltespannung eingestellt werden können. Es versteht sich, dass bei Verwendung einer pulsweitenmodu lierten Ansteuerspannung die Pulsweitenmodulationsfrequenz größer als die maximale Stellfrequenz des Stellglieds gewählt wird.

Die Maßnahmen der Ansprüche 9 und 10 stellen einen einfachen und robusten, rein analog aufgebauten Schaltkreis zur Reduktion der Stellgeschwindigkeit und der Geräuschentwicklung beim Stellvorgang bereit.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.

1a zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds;
1b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der 1a;
2a zeigt ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds;
2b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der 2a;
3a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds;
3b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der 3a;
4a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds;
4b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der 4a;
5a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; und
5b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der 5a.
6 zeigt einen weiteren möglichen Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das Blockdiagramm der 1a zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Ansteuerung eines Relais 20.
Das Relais 20 ist über ein Steuergerät 14 mit der Stromversorgung 12 verbunden. Zum Einschalten wird das Relais 20 erfindungsgemäß nicht mit der vollen Batteriespannung 26 (1b), im Ausführungsbeispiel 14 V, sondern über einen Spannungsregler-Schaltkreis 18 lediglich mit der Mindesteinschaltspannung 22 (1b) des Relais 20 versorgt. Nach dem Einschalten kann die an das Relais 20 angelegte Spannung von dem Spannungsregler-Schaltkreis 18 weiter bis auf die minimale Haltespannung 24 (in 1b gestrichelt eingezeichnet) reduziert werden. Die Mindesteinschaltspannung 22 und die minimale Haltespannung 24 sind von Typ des Relais 20 abhängig und betragen im Ausführungsbeispiel 5 V beziehungsweise 3 V.
Der Kraftverlauf beziehungsweise der Mindestansteuerstrom und die Mindestansteuerspannung des Relais 20 werden beim beschriebenen Vorgehen als bekannt vorausgesetzt. Sie sind im Ausführungsbeispiel in der internen Recheneinheit 16 gespeichert. Auf Grundlage dieser für das Relais 20 gespeicherten Kenngrößen führt die Recheneinheit 16 die Steuerung des Spannungsregler-Schaltkreises 18 durch. Durch das Einschalten mit der minimalen Ansteuerspannung wird eine reduzierte Stellge schwindigkeit und damit verbunden eine reduzierte Geräuschentwicklung erzielt. Das Ansteuern des Relais 20 mit der minimalen Haltespannung 24 führt auch beim Ausschalten zu einer niedrigen Stellgeschwindigkeit und somit zu einer geringen Geräuschentwicklung. Der Spannungsregler-Schaltkreis 18 kann in diesem Ausführungsbeispiel sowohl digital als auch analog ausgeführt sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den 2a und 2b erläutert. Gleiche Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen wie in 1a bezeichnet und werden nicht mehr gesondert erläutert. Das Steuergerät 34 des zweiten Ausführungsbeispiels enthält neben der Recheneinheit 16 einen von dieser gesteuerten Spannungsstabilisator 42, der das Relais 20 über die Diode 36 mit der Mindesteinschaltspannung 44 versorgt, wenn das Relais 20 über einen externen Schalter 32 eingeschaltet wird. Dazu misst die Recheneinheit 16 die Batteriespannung (Bezugszeichen 48) und steuert den Spannungsstabilisator 42 entsprechend der gespeicherten Kenngrößen des Relais 20 an. Nach dem Einschalten des Relais 20 wird es durch Schließen seines eigenen Schaltkontakts 40 über die Diode 38 mit der vollen Batteriespannung 46 (2b) versorgt.
Das in den 3a und 3b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 2a und 2b mit dem Unterschied, dass anstelle des externen Schalters 32 im Steuergerät 34 ein Transistor 50 vorgesehen ist, der das Relais 20 einschaltet.
Dabei wird der Transistor 50 von der Recheneinheit 16 angesteuert, wodurch ein automatisches geschwindigkeitsreduziertes Einschalten des Stellglieds ermöglicht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die 4a und 4b erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Relais 20 mit seinem positiven Anschluss direkt mit der Spannungsversorgung 12 verbunden (Bezugszeichen 56). Die Verbindung des Relais 20 zur Masse läuft über den Transistor 58 des Steuergeräts 54, der von der Recheneinheit 16 pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Die Recheneinheit 16 misst dazu die Versorgungsspannung (Bezugszeichen 48) und berechnet aus den bekannten Kenngrößen des Relais 20 die erforderlichen Pulsweiten für die Ansteuerung des Relais 20.
Die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zum Einschalten des Relais 20 wird so gewählt, dass sie einen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Relais 20 entspricht. Im Ausführungsbeispiel, bei dem die Mindesteinschaltspannung des Relais 5 V und die Batteriespannung 14 V betragen ergibt sich beispielsweise für den Pulsverlauf der Ansteuerspannung ein Tastverhältnis von 5 zu 9, wie in der 4b schematisch beim Pulszug 60 dargestellt. Es versteht sich, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation größer als die maximale Stellfrequenz des Stellglieds sein muss, um effektiv eine Mittelung der Ansteuerspannung zu bewirken.
Nach dem Einschalten des Stellglieds wird die Pulsweite der Ansteuerspannung von der Recheneinheit 16 so eingestellt, dass sie einen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds entspricht. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich bei einer minimalen Haltespannung von 3 V dazu ein Tastverhältnis von 3 zu 11, wie in 4b durch den Pulszug 62 schematisch dargestellt.
Ein weiteres, rein analog aufgebautes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 5a und 5b dargestellt. Das Steuergerät 74 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen Spannungsregler 70 auf, der das Relais 20 mit der Mindesteinschaltspannung 92 einschaltet. Entsprechend den Kenngrößen des Relais 20 wird der Verstärkungsfaktor des Spannungsreglers 70 aber die Widerstände 76 und 78 eingestellt. Die Reihenschaltung des Widerstands 80 und der Zenerdiode 82 gibt den Mindesteinschaltspannungspegel vor. Nach Einschalten des Relais 20 wird durch Schließen des Relais-Schaltkontakts 40 der Transistor 84 durchgeschaltet. Die Zenerdiode 86, die eine niedrigere Sperrspannung als die Zenerdiode 82 aufweist, gibt dann die niedrigere minimale Haltspannung 94 vor.
Das Relais 20 wird mit der Bordnetzspannung versorgt. Zur Reduzierung des Schaltgeräusches wird das Relais 20 mit einem Vorimpuls mit der Zeit tv 101 angesteuert. Die Erregung des Relais 20 durch die Impulslänge tv 101 ist so groß, so dass die Stärke der Erregung der Erregung mit der Mindestansprechspannung entspricht. Anschließend wird die Versorgung des Relais 20; innerhalb einer Pause mit der Zeit tp 103 abgeschaltet, bevor die eigentliche dauerhafte Einschaltphase 105 erfolgt. Die Pause 103 ist so groß zu wählen, dass das Relais 20 geschaltet hat, so dass keine zusätzliche Beschleunigung der Relaiskontakte erfolgt. Über die Länge des Vorimpulses 101 ist eine Mindestanregung des Relais 20 sichergestellt. Die anschließende Pause 103 verhindert eine weitere Beschleunigung des Kontaktes bis zum Schließen der Kontakte, wonach eine dauerhafte Bestromung 105 erfolgt. Die Pause 103 wird zweckmäßiger Weise vor dem Schließen der Kontakte beendet, so dass der Kontakt mit größerer Kraft gehalten wird und dadurch die Anzahl der Kontaktprellungen verhindert wird.

Claims

Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds, mit einer Spannungsversorgung (12) und einem mit der Spannungsversorgung (12) und dem Stellglied (20) verbindbaren Steuergerät (14; 34; 54; 74), dadurch gekennzeich net, dass das Steuergerät (14; 34; 54; 74) zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds (20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) einen Steuerschaltkreis (16) und einen Spannungsregler-Schaltkreis (18) aufweist, wobei der Steuerschaltkreis (16) und der Spannungsregler-Schaltkreis (18) zusammenwirken, um das Stellglied (20) mit der Mindesteinschaltspannung zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (16) und der Spannungsregler-Schaltkreis (18) zusammenwirken, um das Stellglied (20) nach seiner Aktivierung mit der minimalen Haltespannung zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (34) so ausgelegt und eingerichtet ist, dass es dem Stellglied (20) zum Einschalten eine reduzierte Versorgungsspannung liefert und dass es dem Stellglied (20) nach dem Einschalten über einen Schaltkontakt (40) des Stellglieds (20) die volle Versorgungsspannung der Spannungsversorgung (12) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (34) einen Transistor (50) zum Einschalten des Stellglieds (20) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (34) einen Spannungsstabilisator (42) zum Bereitstellen der reduzierten Versorgungsspannung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (54) einen elektronischen Schalter (58) zum Ansteuern des Stellglieds (20) und einen Steuerschaltkreis (16) zum modulierten Durchschalten des elektronischen Schalters (58) aufweist, wobei der Steuerschaltkreis (16) und der elektronische Schalter (58) zusammenwirken, um dem Stellglied (20) eine pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (16) so eingerichtet ist, dass die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zum Einschalten des Stellglieds (20) einen zeitlichen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Stellglieds (20) entspricht, bevorzugt dass der Steuerschaltkreis (16) weiter so eingerichtet ist, dass die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung nach dem Einschalten des Stellglieds (20) einen zeitlichen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds (20) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (74) einen Spannungsregler (70) zum Ansteuern des Stellglieds (20) aufweist und dass eine erste Zenerdiode (82) einen ersten Spannungspegel des Spannungsreglers (70) beim Einschalten des Stellglieds (20) vorgibt, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Stellglieds (20) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zenerdiode (86) vorgesehen ist, die nach dem Einschalten über einen Schaltkontakt (40) des Stellglieds (20) einen zweiten Spannungspegel des Spannungsreglers (70) vorgibt, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds (20) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (34) so ausgelegt und eingerichtet ist, dass es dem Stellglied (20) über die Länge eines Vorimpulses (101) eine Mindesterregung des Stellglieds (20) liefert und eine anschließende Pause (103) die weitere Beschleunigung des Kontaktes des Stellglieds (20) bis zum Schließen des Kontakts verhindert, wonach eine dauerhafte Bestromung (105) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pause (103) vor dem Schließen des Kontakts des Stellglieds (20) beendet wird, so dass der Kontakt mit größerer Kraft gehalten wird und dadurch die Anzahl der Kontaktprellungen minimal ist.