阅读说明：本技术 电磁阀的脉宽调制控制 (Pulse width modulation control of solenoid valve ) 是由 马库斯·法依诺伊尔 西蒙·卡斯特纳 丁可·贝格维奇 塞巴斯蒂安·弗朗克 于 2019-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种方法和一种开关电路,其用于对电磁阀的电磁驱动装置进行电子控制。开关电路设置用于为电磁驱动装置提供一个控制信号,该控制信号具有一个高电平和一个低电平。控制信号具有至少一个带有第一占空比<Image he="75" wi="398" file="DDA0002090089770000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的第一时间间隔、带有第二占空比的可选的第二时间间隔和带有第三占空比的第三时间间隔,其中第一、第二和第三占空比小于1并且第一占空比大于第二占空比和第二占空比大于第三占空比。时间间隔的时间长度和占空比的大小构成为：电磁驱动装置在第一时间间隔中从第一运行状态转换到第二运行状态,可选地在第二时间间隔中保持在第二运行状态中并且在第三时间间隔中从第二运行状态转换到第一运行状态。(The invention relates to a method and a switching circuit for electronically controlling an electromagnetic drive of a solenoid valve. The switching circuit is arranged to provide a control signal to the electromagnetic drive means, the control signal having a high level and a low level. The control signal has at least one control signal with a first duty cycle A first time interval with a second duty cycle, an optional second time interval with a second duty cycle and a third time interval with a third duty cycle, wherein the first, second and third duty cycles are smaller than 1 and the first duty cycle is larger than the second duty cycle and the second duty cycleThe duty cycle is greater than the third duty cycle. The time length of the time interval and the size of the duty ratio are: the electromagnetic drive is switched from the first operating state to the second operating state in a first time interval, optionally remains in the second operating state in a second time interval and is switched from the second operating state to the first operating state in a third time interval.)

电磁阀的脉宽调制控制

技术领域

本发明涉及一种开关电路和一种方法，其用于控制电磁阀的电磁驱动装置，特别是用于利用脉宽调制信号进行控制。

背景技术

具有电磁驱动装置的电磁阀得到多方面应用。这样例如具有先导式电磁阀，该先导式电磁阀使用在控制按钮(Steuerkopf)中并提供一个作用到主阀的输入端上的一定压力。先导式电磁阀例如可以控制打开和关闭一个过程控制阀(Prozessventil)所需的空气。电磁阀的电磁驱动装置典型地包括一个衔铁和一个线圈，例如利用一个脉宽调制操控信号控制该线圈。

发明内容

本发明的目的是相对现有技术鉴于消耗功率和复杂性改善对具有电磁驱动装置的电磁阀的控制。

根据一个观点，提供一种开关电路，其用于对电磁阀的电磁驱动装置进行电子控制(还提供电磁阀)。开关电路设置用于为电磁驱动装置提供一个控制信号，该控制信号具有一个高电平(接通电平)和一个低电平(断开电平)或者在高电平与低电平之间交替。控制信号具有至少一个带有第一占空比的第一时间间隔、带有第二占空比的可选的第二时间间隔和带有第三占空比的第三时间间隔。

在当前的情况中，占空比是接通时间(AN-Zeit)(信号在高电平上的持续时间或者时间跨度)与断开时间(AUS-Zeit)(信号在低电平上的持续时间或者时间跨度)和接通时间的总和的比率。接通时间和断开时间的总和可相当于控制信号的周期或者基频，如例如在脉冲调制信号(PWM信号)中普遍的那样。第一时间间隔、作为可选第二时间间隔和第三时间间隔有益地在时间上相互连续，特别有益地直接相互连续。此外，第一、第二和第三占空比小于1。换言之，信号在时间间隔内至少一次从高电平转换到低电平或者完全保持为零。第一占空比大于第二占空比和第二占空比大于第三占空比。时间间隔的持续时间和占空比的大小有益地构成为：电磁驱动装置在第一时间间隔中从第一运行状态转换到第二运行状态，在可选的第二时间间隔中保持在第二运行状态中并且在第三时间间隔中从第二运行状态转换到第一运行状态。根据上述观点，可以实现诸多优点。首先可以通过选择占空比调整供电电平，其形式上为用于电磁驱动装置的平均的或者时间上平均的电平。当电磁驱动装置处于第二运行状态中时，能够降低该电磁驱动装置的能量消耗或者消耗功率，并且电磁阀能够在第一和第二运行状态之间有针对性地转换，而无须在运行状态之间设置另外的中间状态。

控制信号有益地可以是脉宽调制信号(PWM信号)的关系，特别有益地是两个脉宽调制信号的关系。所述关系有益地可以是逻辑与关系。控制信号可相应地包括第一和第二信号部分。第一和第二信号部分可分别由第一脉宽调制信号和第二脉宽调制信号提供，这些脉宽调制信号相应地组合。

第一脉宽调制信号可具有第一基频和第二脉宽调制信号可具有第二基频。第一基频有益地可大于第二基频。第一基频和第一占空比有益地可以如此之大，即电磁驱动装置可从第一运行状态转换到第二运行状态。第一基频和第二占空比有益地可以如此之大，即电磁驱动装置可以保持在第二运行状态中。

第一基频例如也可以是第二基频的正整数的倍数。

第二脉宽调制信号也可以与第一基频与第二基频的比率无关地设置为：至少第二脉宽调制信号的(多个)断开时间比第一脉宽调制信号的(多个)断开时间长。不仅第二脉宽调制信号的(多个)接通时间，而且其(多个)断开时间也能够有益地比第一脉宽调制信号的(多个)接通时间和(多个)断开时间长。

第一脉宽调制信号可设置用于提供带有第一占空比的第一时间间隔和用于提供带有第二占空比的可选的第二时间间隔。

第二脉宽调制信号可设置用于提供带有第三占空比的第三时间间隔。第二脉宽调制信号可以是用于电磁阀的调节量。

第二脉宽调制信号可设置为：使电磁阀始终完全打开和完全关闭，并且由此在平均时间内调节电磁阀的某个目标位置。

第三占空比可有益地为零。可有益地强制性设置，即并不是可选地设置第二时间间隔。

开关电路可设置用于根据或者借助一个关系，特别是一个逻辑关系和特别是一个逻辑与关系将第一脉宽调制信号和第二脉宽调制信号结合并组合为一个唯一的或者所述控制信号。在此，根据与关系的原理以下内容适用：只有当不仅第一脉宽调制信号，而且第二脉宽调制信号同时位于高电平上时，用于电磁驱动装置的控制信号的电平才位于高电平(接通电平)上。

在一个构造设计中，开关电路相应地可包括一个与门或者一个电路或者多个具有相等功能性的门电路。与门或者等效电路然后可以获得第一和第二脉宽调制信号并且对其进行逻辑与运算。

此外，开关电路还可包括一个晶体管，该晶体管与电磁驱动装置联接。与门的或者等效电路的输出端然后例如可以输出到晶体管，该晶体管与电磁驱动装置如下地联接，即利用输出信号或者利用控制信号经由所述晶体管对电磁驱动装置进行控制。

开关电路可包括一个微处理器。第一脉宽调制信号或者第二脉宽调制信号可由微处理器提供。第一或者第二脉宽调制信号也可由一个分立电路提供。

开关电路可构成为用于检测电磁驱动装置的供电电压的供电电平。特别是开关电路可构成为用于根据这个供电电平调整控制信号的一个、多个或者全部占空比。开关电路为此可以包括例如一个模拟数字转换器，该模拟数字转换器为了检测供电电平与供电联接并且相应地将数字数据输出给微处理器，以便对一个或者多个占空比，特别是第一和/或第二占空比进行调整。

开关电路可位于一个位置调节器或者定位装置(***)中。

定位装置或者位置调节器可设置在电磁阀上或中。

同样提供一种用于对电磁阀的电磁驱动装置进行控制的方法。相应地提供一个用于运行电磁驱动装置的控制信号，其中该控制信号具有第一时间间隔、可选的第二时间间隔和第三时间间隔，这些时间间隔在时间上有益地直接相互连续。第一时间间隔具有第一占空比，第二时间间隔具有第二占空比和第三时间间隔具有第三占空比，其中第一、第二和第三时间间隔中的占空比小于1，并且第一占空比大于第二占空比和第二占空比大于第三占空比。

可如下地调节第一时间间隔和第一占空比，即电磁驱动装置从第一运行状态转换到第二运行状态。可如下地调节可选的第二时间间隔和第二占空比，即电磁驱动装置或者电磁阀保持在第二运行状态中。可如下地调节第三时间间隔和第三占空比，即电磁驱动装置或者电磁阀从第二运行状态转换到第一运行状态。

第三占空比可以为零。换言之，在第三间隔中控制信号可以断开并且保持或者连续地具有一个低电平。

电磁驱动装置的第一运行状态可以是电磁阀的关闭的运行状态和第二运行状态可以是电磁阀的打开的运行状态。在一个其他的构造设计中，这一点也可以反过来作用。然而，有利地，第一和第二运行状态涉及阀门的完全打开或者完全关闭。

根据一个另外的观点，可以检测电磁驱动装置的供电电平并且基于检测的供电电平调节第一占空比和/或第二占空比。通过这种方式能够始终保证电磁驱动装置上具有必要的、时间上平均的电压。

附图说明

借助下面对实施例的说明参照附图对本发明的另外的有益的观点和特征进行阐述，其中：

图1是简化的示意电压-时间图，其包括三个脉宽调制信号，和

图2是简化的示意电压-时间图，其包括三个脉宽调制信号，该脉宽调制信号具有各个信号的时间上不同的占空比，和

图3是一个开关电路的简化的示意电路图，该开关电路用于提供电磁阀的电磁驱动装置的控制信号。

具体实施方式

图1示出了一个简化的示意电压-时间图，其包括第一、第二和第三脉宽调制信号(PWM-Signal)PWM1、PWM2、PWM3。第三脉宽调制信号PWM3用作控制信号，该控制信号用于控制第一实施方式中的电磁阀的电磁驱动装置。该电磁驱动装置包括一个电磁线圈，该电磁线圈基于控制信号运行。第一脉宽调制信号PWM1用作包括供电电压匹配的运行参数，第二脉宽调制信号PWM2用作电磁驱动装置的调节量。第三脉宽调制信号PWM3是一个根据与关系的原理生成的、由第一脉宽调制信号PWM1和第二脉宽调制信号PWM2构成的组合。在此以下内容适用：只有当不仅第一脉宽调制信号PWM1，而且第二脉宽调制信号PWM2同时位于高电平上时，第三脉宽调制信号PWM3的电平或者用于电磁驱动装置的控制信号的电平才位于高电平(接通电平)上。控制信号或者第三脉宽调制信号PWM3包括第一和第二脉宽调制信号PWM1和PWM2的所有有利的特性。

在电压-时间图中，在横坐标上画出时间，在纵坐标上画出电压。最上部的信号构成第一脉宽调制信号PWM1。时间点T0PWM1与T1PWM1之间的时间跨度是第一脉宽调制信号PWM1的周期时间T1。该周期时间T1包括一个完整的周期，即接通时间与断开时间的总和。周期时间T1的倒数是基频F1。接通时间T1EIN相当于时间点T0PWM1与T01PWM1之间的时间跨度，而断开时间T1AUS则相当于时间点T01PWM1与T1PWM1之间的时间跨度。在接通时间T1EIN期间，脉宽调制信号PWM1是高的，也就是说，幅度或者电平是高的(High)。在断开时间T1AUS期间，脉宽调制信号PWM1是低的，也就是说，幅度或者电平是低的(Low)。接通时间T1EIN与周期时间T1的比率相当于第一占空比TV1。根据当前的实施方式，TV1在第一脉宽调制信号PWM1的情况中是例如50％。第一脉宽调制信号PWM1的作用在于电磁线圈的合适的、时间上平均的供电电压。

电磁线圈的供电电压既可以由于供电设备的名义供电电压之故而不同，也可以在电磁阀运行期间遭受波动。经由第一占空比TV1能够使供电电源的电压与电磁线圈上所需的电压相匹配。例如借助50％的占空比能够将24V的初始输入电压降低到一个有效的(时间上平均的)12V的输入电压，该输入电压被施加在电磁线圈上。通过线圈的电流由于电磁线圈上的有效电压Ueff降低而降低。有效施加的电压Ueff的降低和伴随而生的施加的电流强度的降低特别是导致为了运行线圈需施加的电功率的降低(损耗功率的降低)。第一占空比TV1始终小于1，因此具有一个有限的断开时间T1AUS。

从周期时间T1的倒数中获得第一脉宽调制信号PWM1的第一基频F1。如下地选择第一占空比TV1，即为电磁驱动装置从第一运行状态转换到第二运行状态提供充分的功率。在当前的情况中，这是电磁驱动装置的衔铁从未吸附的位置到吸附的位置中的位置变化。若衔铁在吸附的位置中，那么例如可以提供一个过程流体流(气流)。电磁阀在此可以处于打开的运行状态中。电磁驱动装置然后处于第二运行状态中。

第二脉宽调制信号PWM2构成电磁驱动装置的调节量。该调节量确定衔铁的位置并且因此确定是否提供过程流体流(气流)。第二脉宽调制信号PWM2原则上可以比第一脉宽调制信号PWM1具有更长的周期时间T2并且因此比第一脉宽调制信号PWM1具有更低的基频F2。

也可以不受基频F1和F2的比率影响如下地确定第二脉宽调制信号PWM2，即至少第二脉宽调制信号PWM2的(多个)断开时间比第一脉宽调制信号PWM1的(多个)断开时间长。另外，不仅(多个)接通时间T2EIN，而且(多个)断开时间T2AUS都能够比第一脉宽调制信号PWM1的(多个)接通时间和(多个)断开时间长。第二脉宽调制信号PWM2的第二基频F2和占空比或者接通时间T2EIN和断开时间T2AUS选择为：衔铁一方面在接通时间T2EIN期间能够从未吸附的位置转换到吸附的位置中并且在必要时保持在吸附的位置中，另一方面在足够长的断开时间T2AUS期间转换回到未吸附的位置中。在衔铁的未吸附的位置中，电磁阀处于关闭的运行状态中。电磁驱动装置在此处于第一运行状态中。由于衔铁转换到未吸附的位置中所需的第二脉宽调制信号PWM2的断开时间T2AUS较长，所以第二基频F2能够小于第一脉宽调制信号PWM1的第一基频F1。第二脉宽调制信号PWM2的占空比可以始终小于1。原则上断开时间T2AUS选择为：电磁阀可以从第二运行状态(例如打开的)转换到第一运行状态(关闭的)中。此外，接通时间T2EIN选择为：电磁阀能够从第一运行状态(例如关闭的)转换到第二运行状态(例如打开的)中并且在必要时还可以保持在该第二运行状态中。

第三脉宽调制信号PWM3是用于电磁驱动装置的控制信号并且由一个借助作为第一信号部分S1的第一脉宽调制信号PWM1与作为第二信号部分S2的第二脉宽调制信号PWM2的逻辑与关系的组合构成。第三脉宽调制信号PWM3包括至少两个相关的时间间隔，其中这些时间间隔出于一致性的原因被称为第一时间间隔IV1和第三时间间隔IV3。第一时间间隔IV1相应地拥有第一占空比TV1，而第三时间间隔IV3拥有第三占空比TV3。

第三脉宽调制信号PWM3具有第三基频F3，该基频与第一基频F1相符。在第三脉宽调制信号PWM3中占空比可随时间变化。

在第一时间间隔IV1中，占空比相当于第一占空比。在第三时间间隔IV3中，不存在接通时间并且第三占空比TV3具有的值为零。第三时间间隔IV3的持续时间与第二脉宽调制信号PWM2的断开时间T2AUS相符或者通过该断开时间确定。

在第三脉宽调制信号PWM3的接通时间T3EIN期间为电磁线圈施加一个电压，而在断开时间T3AUS1、T3AUS2期间在电磁线圈上不存在电压。

在第一时间间隔IV1中，电磁驱动装置从第一运行状态转换到第二运行状态并且保持在第二运行状态中。因此例如提供一个过程流体流(气流)并且电磁阀处于打开的运行状态中。在第三时间间隔IV3中，电磁驱动装置从第二运行状态转换到第一运行状态并且保持在第一运行状态中。因此电磁阀关闭。第三脉宽调制信号PWM3的断开时间T3AUS2长得足以保证电磁驱动装置能够从第二运行状态转换到第一运行状态。

图2示出了一个简化的示意电压-时间图，其包括第二实施方式中的第一、第二和第三脉宽调制信号PWM1、PWM2、PWM3。

在第一脉宽调制信号PWM1中，占空比在信号过程中从例如50％的初始第一占空比TV11变为改变后的、20％的占空比TV12。通过占空比在信号过程中降低，使施加到电磁线圈上的有效的(时间上平均的)电压下降，由此通过线圈的电流减少。因此能够降低损耗功率。在衔铁从未吸附位置转换到吸附位置中之后，如下地降低占空比，即功率足以将衔铁保持在吸附位置中。这相当于电磁驱动装置的第二运行状态，在该运行状态中电磁阀处于打开的运行状态中。为了将衔铁保持在吸附位置中，需要的功率比用于将该衔铁从未吸附位置置入吸附位置中的功率小。

第三脉宽调制信号PWM3在此还构成控制信号并且随着额外的功率降低在信号过程中包括三个时间间隔，即具有第一占空比TV1的第一时间间隔IV1、具有第二占空比TV2的第二时间间隔IV2和具有第三占空比TV3的第三时间间隔IV3。

控制信号或者第三脉宽调制信号PWM3具有第三基频F3，该基频与第一基频F1相符。脉宽调制信号PWM3的第一、第二和第三占空比取三个值TV1、TV2和TV3。在第一时间间隔IV1中，脉宽调制信号PWM3的第一占空比TV1与功率降低前的第一脉宽调制信号PWM1的初始占空比TV11相符。基频F3和占空比TV1高得足以将衔铁从第一位置置入第二位置中。因此电磁驱动装置从第一运行状态转换到第二运行状态并且保持在第二运行状态中。电磁阀打开。

在第二时间间隔IV2中，脉宽调制信号PWM3的第二占空比TV2与功率降低之后的第一脉宽调制信号PWM1的降低的占空比TV12相符。基频F3和第二占空比TV2高得足以将衔铁保持在第二或者吸附的位置中。因此电磁驱动装置保持在第二运行状态中。电磁阀保持打开状态。

第三时间间隔IV3没有接通时间，因此具有的占空比为零。在第三时间间隔IV3中，电磁驱动装置从第二运行状态转换回到第一运行状态。电磁阀关闭。占空比从第一时间间隔向着第三时间间隔减小(TV1＞TV2＞TV3)并且始终小于1(TV1、TV2、TV3＜1)。

图3示出了用于电磁阀(未示出)的电磁驱动装置的电子电路或者开关电路100的简化示意电路图。仅仅简化地示出了阀门的电磁驱动装置的电磁线圈110。开关电路位于位置调节器或者定位装置170中。位置调节器170可以与一个或者多个电磁阀一起安置在一个壳体中。位置调节器可安装在电磁驱动装置的侧面或者安放在该驱动装置上。电磁线圈110-根据施加的电流-使衔铁(未示出)运动以打开和关闭电磁阀。电磁线圈110与一个供电电源120联接。为了确定供电电源120的电压VS，该供电电源经由一个分压器131、130与一个电子信号处理单元140联接，例如一个微处理器。供电电压的实际值VS作为模拟信号被输送给-例如还作为分立电路的-信号处理单元140或者微处理器并且例如在一个集成模拟数字转换器141中被转换为数字信号。信号处理单元或者微处理器140根据测得的电压实际值VS在第一输出端142上提供第一脉宽调制信号PWM1。由信号处理单元或者微处理器140借助测得的电压VS为需施加到电磁线圈110上的有效电平确定第一脉宽调制信号PWM1的第一占空比TV1和/或第一脉宽调制信号PWM1的第二占空比TV2。信号处理单元或者微处理器140此外在第二输出端143上提供第二脉宽调制信号PWM2。第二脉宽调制信号PWM2构成电磁驱动装置的调节量。在此，可以基于一个从外部提供给信号处理单元或者微处理器140的外部信号确定第二脉宽调制信号PWM2。

在一个构造设计中还可以通过分立电路提供第一和/或第二脉宽调制信号PWM1、PWM2。

信号处理单元或者微处理器140的两个输出端142、143与一个与门150的第一和第二输入端151、152连接。所述与门150例如可以是一个集成电路。在与门150中经由逻辑与使第一脉宽调制信号PWM1与第二脉宽调制信号PWM2相互关联。与门150的输出端153提供第三脉宽调制信号PWM3。该第三脉宽调制信号PWM3是用于阀门的电磁驱动装置或者用于电磁驱动装置的电磁线圈110的控制信号。与门150的输出端153与一个晶体管160联接或者连接在一个晶体管160上。所述晶体管160与电磁线圈110联接。在当前的情况中，晶体管沟道耦合在电磁线圈110与地线之间。若接通晶体管，那么电流能够流过电磁线圈110并且电磁阀的电驱动装置能够改变运行状态。在当前的实例中，晶体管160是一个NPN双极晶体管，该双极晶体管利用集电极与线圈联接和利用发射极与地联接。当然也可以考虑其他的晶体管类型。经由第三脉宽调制信号PWM3接通和断开晶体管160，通过这种方式控制流过电磁线圈110的电流。由此实现如下：鉴于供电电压的当前高度、阀门的功率降低和位置，有利地借助控制信号或者脉宽调制信号PWM3控制电磁线圈110。