專利名稱：利用致動器測量流體壓力的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于測量流體中的壓力的方法。
背景技術(shù)：
EP 1 282 544 A1中公開在機動車制動系統(tǒng)的ABS控制單元中以及具有附加功能例如ESP等的所謂驅(qū)動動力控制器中，使用壓力傳感器測量車輪制動器中的液壓，上述壓力傳感器包括測量隔膜，從測量隔膜的變形可推斷出存在的壓差。
在大規(guī)模集成電子制動控制單元中附加設(shè)置壓力傳感器對所需的安裝空間和控制單元的制造成本產(chǎn)生較大的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法可克服上述缺點，其中，使用可適用于調(diào)節(jié)或控制液壓的執(zhí)行器(Aktor)—尤其是液壓閥—來進行壓力測量。
使用執(zhí)行器作為壓力傳感器是可行的，因為該裝置致動執(zhí)行器的機械部分的磁性部分受控于控制電路，該控制電路尤其是控制作用在機械部分上的力。這樣就可以使用致動器而不用附加的壓力傳感器來進行壓力測量。
術(shù)語“致動器”涉及用于調(diào)節(jié)流體流動的閥和滑閥。優(yōu)選地，所使用的致動器是閥。優(yōu)選的流體除了空氣外還可以是任意適當(dāng)?shù)囊簤毫黧w，尤其是與制動器一起應(yīng)用的常規(guī)制動流體。
有利地，致動器具有完全打開和完全關(guān)閉的位置。根據(jù)致動器的類型—常開(SO-V)或常閉(SG-V)，閥致動器裝置(例如閥挺桿)根據(jù)復(fù)位元件的動作采用這些位置中的一個。適當(dāng)?shù)膹?fù)位元件優(yōu)選是彈簧，該彈簧具有限定的力/行程特征曲線，根據(jù)本方法可通過線性方程近似該曲線。如下文所述，當(dāng)作用在閥致動器裝置上的力平衡的情況下，可以從可測的磁力中計算出致動器的開啟沖程(閥致動器裝置的位置)。
所述致動器包括電磁裝置，其中，利用勵磁線圈的致動可以移動機械致動元件。所述機械致動元件優(yōu)選包括軸向可移動的、可磁化的銜鐵，通過勵磁線圈的磁場可以移動該銜鐵。更具體地，該銜鐵設(shè)置在閥罩內(nèi)側(cè)。
有利地可通過對感應(yīng)電壓的積分來確定根據(jù)本發(fā)明的方法控制的磁力或致動器的開啟沖程。正如已經(jīng)提到的，如果已知力/行程關(guān)系，則可對復(fù)位元件應(yīng)用已知的力/行程方程來計算開啟沖程中的磁力。
在磁路中致動器優(yōu)選設(shè)有一個或多個附加的測量元件以確定磁通量，其中附加的測量元件尤其是測量線圈。
在新一代的液壓控制單元中使用所謂的模擬開關(guān)閥。在本發(fā)明的方法中有利地使用的模擬開關(guān)閥是電流驅(qū)動的電磁閥，該電磁閥不僅設(shè)計用于完全打開或閉合，而且通過特定的電流調(diào)節(jié)操作和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具有模擬控制特性。
本發(fā)明的方法有利地使用于電動液壓裝置中，以用于機動車的制動控制。
將致動器的開啟沖程調(diào)節(jié)到預(yù)定值有利于準(zhǔn)確測量壓力。為此，必須首先知道在不加壓情況下相應(yīng)的勵磁電流。在這一方面應(yīng)該注意，產(chǎn)品系列中的各個致動器將存在顯著的差異，使得不易于以所需的精度等級來調(diào)節(jié)期望的電流。因此為閥使用例如與本方法相應(yīng)的單獨的特征曲線是適當(dāng)?shù)?，這使得可以補償至少機械公差，例如變化的彈簧彈力FFeder和空氣間隙的不同磁阻。
為此，可以使用已有的特征曲線或根據(jù)下列方法確定的特征曲線(無壓力校準(zhǔn))。除了特征曲線，還可以使用特別是存儲在運算單元內(nèi)的參數(shù)或特征域。有利地，為了確定特征曲線優(yōu)選執(zhí)行下面稱為無壓力校準(zhǔn)的程序，其中，建立一個或多個與致動器相關(guān)的特征曲線、特征域或致動器的參數(shù)KGind，從而利用這些參數(shù)限定流量G、勵磁線圈中的電流強度I和存在的壓差ΔP之間的關(guān)系。
優(yōu)選在考慮致動器的開啟沖程l和/或彈簧彈力FFeder和/或磁阻的情況下執(zhí)行校準(zhǔn)操作。
有利地，在測量程序中考慮致動器的單獨的磁性和機械參數(shù)KGind，這些參數(shù)在各特征曲線中主要用于表示由制造引起的偏差。致動器的較少由于制造而引起偏差的參數(shù)可通過附加的通用參數(shù)KGall對產(chǎn)品系列進行一次性的確定并可永久存儲在電子控制單元中。然后從單獨的和通用的參數(shù)中可以計算出致動器的特征曲線并從而為致動器計算出響應(yīng)壓差的所需的驅(qū)動電流。
根據(jù)校準(zhǔn)方法的一個有利的實施例，對磁路的總磁阻進行測量。普遍適用的是，使用與相應(yīng)磁路的線圈的圈數(shù)N相關(guān)的電感L代替磁阻作為等效的物理量以相應(yīng)的方式來實施本發(fā)明的方法。特別地，確定在完全打開和/或完全閉合的致動器位置的磁阻。在特別優(yōu)選的方式中，在校準(zhǔn)時確定最大的挺桿沖程和/或彈簧彈力。
優(yōu)選地，致動器包括一個或多個附加的測量元件、尤其是測量線圈。測量線圈可以獨立于驅(qū)動線圈進行電連接。但是根據(jù)優(yōu)選實施例也可將測量線圈與驅(qū)動線圈串聯(lián)地電連接。這樣做是有利的，因為只需向外引出三條致動線路。
可以利用根據(jù)本發(fā)明的另一實施例設(shè)置在致動器區(qū)域內(nèi)的測量元件來確定致動器的內(nèi)部物理參數(shù)，并且在計算壓力時考慮這些參數(shù)。
優(yōu)選地，除了線圈之外所有對磁場有響應(yīng)的傳感器(例如霍耳傳感器、MR傳感器)原則上都可用作測量元件，只要其適合于感應(yīng)有效的磁通量。然而由于能以低成本生產(chǎn)線圈，所以使用線圈尤其有利。
在確定的壓差下，基于平衡方程FFeder+Fhydraulik＝Fmagn確定的所謂保持電流不對應(yīng)于打開閥實際需要的具有足夠精度等級的開啟電流，這是因為開啟電流由于流動效應(yīng)總是比計算出的保持電流低一些。已顯示，在保持電流特征曲線IHalte(ΔP)的所需的壓差范圍中加入恒定的負(fù)電流補償Ikorrconst可優(yōu)選地確定更加精確的開啟電流特征曲線Iffnung(ΔP)。根據(jù)校準(zhǔn)方法的一個優(yōu)選實施例，以閥的閥開啟電流代替保持電流作為基準(zhǔn)。為此，特別利用修正項修正閥開啟電流，在最簡單的情況下該修正項是一恒定的電流補償。除了所謂的開啟電流修正之外，還可以并且優(yōu)選地設(shè)置另一修正項，該修正項也考慮磁鐵磁路對電流響應(yīng)的影響。除了上述的磁修正之外，考慮到歐姆勵磁線圈電阻，還可進行熱量修正。
優(yōu)選利用脈寬調(diào)制的電流(PWM)來致動驅(qū)動致動器的勵磁線圈，并特別通過PWM致動的占空比確定線圈電阻。特別優(yōu)選地，在計算各個單獨的致動器中的參數(shù)KGind時考慮線圈電阻，以提高精度。
優(yōu)選地，根據(jù)本方法確定致動器的磁路中感應(yīng)電壓的積分，以獲得磁通量或磁力。根據(jù)本發(fā)明的方法的另一獨立的實施例，利用具有特別直接的設(shè)計的所謂電子矩形波形成電路分別測量對線圈抽頭或測量線圈抽頭的積分。本方法涉及利用電測量儀器通過分析或調(diào)整作用在致動器的勵磁線圈上感應(yīng)的電壓Uind來確定至少一個感應(yīng)致動器中的磁通量—可利用驅(qū)動器電致動，通過測量儀器或感應(yīng)致動器或執(zhí)行器元件的電子致動裝置將應(yīng)用于線圈的電壓保持為基本恒定的值，并確定當(dāng)接通或斷開時流經(jīng)感應(yīng)元件和測量儀器的電流感應(yīng)出電壓的時間t1。


由從屬權(quán)利要求和下面結(jié)合附圖對實施例的說明中可得出其它優(yōu)選的在附圖中圖1是壓力控制閥的液壓元件的示意圖；圖2是用于調(diào)節(jié)恒定的挺桿位置的控制電路的基本電路圖；圖3是用于解釋在閥內(nèi)最窄位置的主要幾何形狀的示意圖；以及圖4示出機動車制動控制設(shè)備的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，閥挺桿1通過電磁裝置(未示出)沿箭頭7的方向軸向移動，以便將挺桿表面5密封地導(dǎo)入閥座3內(nèi)。安裝在閥座3上的彈簧2的力沿箭頭8的方向(FFeder)作用在閥挺桿1上。電磁裝置沿箭頭9的方向產(chǎn)生力分量Fmagn。在通向制動輪缸的制動回路的范圍內(nèi)，壓力表示成p3。制動系統(tǒng)的產(chǎn)生壓力的主缸(未示出)中的壓力為p1。箭頭10表示作用在挺桿1上的液壓力Fp的方向。
圖1中的示意圖用于解釋在估計液壓力時需考慮的影響因素。作用于閥挺桿上的力一方面是流動力FStr，另一方面是壓力Fp，所述流動力由于在最窄的截面A2處的高速和所引起的導(dǎo)致閥沿FStr axial的方向關(guān)閉的負(fù)壓p2而產(chǎn)生，所述壓力由于流體壓迫在挺桿上而產(chǎn)生并導(dǎo)致閥打開(在的p1≥p3情況下)。從Bernoulli方程推導(dǎo)出的常規(guī)公式可應(yīng)用于流動力Q=αDA22(Δp)ρ]]>其中Q是體積流量，A2是在最窄截面處的流通面積，αD是流系數(shù)，Δp＝p1-p3是壓差，ρ是制動流體的密度。
為簡化起見，假設(shè)流量系數(shù)αD≈
相對于開啟沖程x相對恒定。
在忽略流動力的不穩(wěn)定部分的情況下，流動力可表示為FStr＝ρν2Q其中ν2是最窄位置處的流動速度。此外，Q＝A2ν2。從中得出流動力為FStr＝2A2α2DΔp只有該力的軸向分量作用在挺桿上。利用閥軸線和在最窄截面區(qū)域中的流量之間的夾角ε，軸向作用的流動力可定義為FStr_axial＝Fstrcosε如圖3中畫出的?，退?，利用正截錐形的外表面可以相當(dāng)準(zhǔn)確地定義最窄處的所謂的沖程隔膜的面積。滿足下面的關(guān)系式
其中l(wèi)＝xsinε。
由于流經(jīng)打開的閥的流體，所以產(chǎn)生附加的壓力Fp，在p3＜p1的情況下該力的指向與流動力FStr相反，但是在p3＞p1的情況下該力的指向與流動力FStr相同。
壓力與壓力差成比例FP＝αkorr*A1*Δp修正系數(shù)αkorr≤1表示壓力朝向挺桿邊緣減小。
彈力可通過公式表示FFeder＝D*x。
從上述作用在挺桿上的力的平衡得出下列挺桿運動的微分方程FP-FStr_axial=Fmagn-FFeder+mStoβel+Ankerx··]]>圖2示出用于根據(jù)本發(fā)明的挺桿沖程控制的可能的電路排布。Xsoll表示挺桿位置的額定值。通過存儲在控制器的內(nèi)存中的參數(shù)定義Xsoll的初始值?？刂破?2保持挺桿沖程x恒定。因此加速度為零。可以根據(jù)磁力來解微分方程并相應(yīng)地帶入各個力 通過使用常數(shù)a和b還可更簡單地表達該方程Fmagn＝a*Δp+b，在該電路排布中，常數(shù)a和b僅依賴于幾何形狀、彈性常數(shù)和恒定調(diào)節(jié)的挺桿位置。
從磁力與磁通量的關(guān)系中能夠得出磁通量
Φ=2μ0AAnkcr(a*Δp+b)]]>根據(jù)下面說明的可選的計算方法還可進一步提高所確定壓力的精度。
因此通過下文說明的利用對感應(yīng)電壓積分來測量磁通量可定性地確定越過閥的壓差。
此外還應(yīng)注意，為了計算精確的定量關(guān)系還需考慮下述的影響因素-在圖1中標(biāo)出的截面A1可理解為第一流動隔膜，由此可將模型描述為兩個隔膜的串聯(lián)設(shè)置。然后可基于該模型計算出平均通流。
-在計算壓降的修正項時可考慮所述第一隔膜A1的壓降。
為進一步說明本發(fā)明，簡要說明下列數(shù)學(xué)關(guān)系式從Fmagn=12*μ0*AAnker*Φ2,]]>可得出磁力，其中μ0是磁導(dǎo)率常數(shù)(空氣)、AAnker是銜鐵面積，Φ是磁通量。
按照下列公式計算磁通量Φ=ΘRm,gesamt]]>其中Θ＝I*N，其中I是線圈電流，N是閥線圈的圈數(shù)，Rmgesamt是閥中磁路的總磁阻。
此外滿足Uind=-N*dΦdt]]>以及Φ=-1N∫0tUinddt.]]>圖4示出用于客車制動器的電動液壓控制裝置，該裝置包括具有微控制器系統(tǒng)的控制器殼體13(ECU)和連接到該殼體的閥組14(HCU)。在安裝控制裝置時，勵磁線圈15滑過結(jié)合圖1說明過的包括閥的閥罩16。控制器還包括用于以脈寬調(diào)制方式為每個閥分別調(diào)節(jié)并測量各個勵磁線圈的電流I的控制電路。為此控制器13包括用于每個閥的可分別激勵的PWM驅(qū)動器。測量儀器(未示出)設(shè)置在勵磁線圈的接線端17上并用于測量感應(yīng)電壓Uind(t)。
當(dāng)斷開勵磁電流I時，閥線圈15中的磁通量Φ發(fā)生變化，這可通過線圈中感應(yīng)電壓Uind的變化來測量。為此在測量儀器(未示出)中對感應(yīng)電壓Uind的變化進行時間積分，并將該積分傳送給控制器13的微控制器。該信號與由閥線圈產(chǎn)生的磁通量Φ成比例，從中能夠根據(jù)上面給出的公式計算出壓力。
上述說明涉及常開的閥。所述方法也可類似應(yīng)用于常閉的閥。
權(quán)利要求
1.用于確定流體壓力或致動器上存在的壓差的方法，其特征在于，采用電磁可驅(qū)動的致動器(4)以進行壓力測量，該致動器-包括電磁裝置，其中，通過致動勵磁線圈可以移動機械致動元件，以及-包括用于打開和關(guān)閉致動器的閥致動器裝置，其中，致動元件在閥致動器裝置(1)上施加機械力，以打開和/或關(guān)閉致動器，以及控制電路用于控制閥致動器裝置的位置或磁力，其中優(yōu)選地通過測量作用在致動元件上的磁力來電測量作用在閥致動器裝置上的液壓力，并由此確定流體管路中的壓力和/或致動器中的壓差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述致動器安裝在液壓制動控制裝置中，除了用作傳感器元件外，該元件還用作執(zhí)行壓力控制的執(zhí)行器元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，設(shè)置復(fù)位元件(2)以在勵磁線圈未被激勵時打開或關(guān)閉閉合元件，并且設(shè)置閥座(3)，用于打開或關(guān)閉致動器的閉合元件接合在該閥座中。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項所述的方法，其特征在于，使用事先確定的單個參數(shù)、特征曲線或特征域來確定用于定位閥致動器裝置的電流，而這些單個參數(shù)、特征曲線或特征域則特別是通過校準(zhǔn)程序來確定，所述校準(zhǔn)程序測量無壓的狀態(tài)下的所述致動器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，確定開啟沖程l和/或彈簧彈力FFeder和/或致動器的磁阻，以確定與致動器相關(guān)的參數(shù)、特征曲線或特征域。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，執(zhí)行校準(zhǔn)程序，其中，除了在測量程序中獲得的與致動器相關(guān)的參數(shù)KGind之外，還考慮與產(chǎn)品系列相關(guān)的通用參數(shù)KGall。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中至少一項所述的方法，其特征在于，在校準(zhǔn)程序中在致動器完全打開和/或完全閉合的位置確定挺桿力和/或磁阻RM。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中至少一項所述的方法，其特征在于，從磁通量確定磁力。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中至少一項所述的方法，其特征在于，對勵磁線圈由于電流改變而感應(yīng)的電壓進行測量并特別是對其進行積分。
10.包括至少一個用于控制壓力的致動器的電動液壓壓力控制裝置，其特征在于，采用設(shè)置成用于壓力控制的致動器來測量壓力，其中特別是在所述壓力控制裝置中執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至9中至少一項所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用致動器測量流體壓力的方法和儀器。一種用于確定作用在致動器上的流體壓力或壓差的方法和儀器，其中，利用電磁可控的致動器(4)進行壓力測量，并利用控制電路來控制閥致動器裝置的位置或作用于閥致動元件上的力。
文檔編號B60T8/36GK1832878SQ200480022302
公開日2006年9月13日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者M·海因茨, P·厄勒, W·喬克爾, A·施米茨, M·恩格爾曼, W·法伊 申請人:大陸-特韋斯貿(mào)易合伙股份公司及兩合公司