DE4231799A1 - Chopper amplifier controlled solenoid valve operation - has up to 20 percent variation in frequency generated as pseudo-random signal provided by controller - Google Patents

Chopper amplifier controlled solenoid valve operation - has up to 20 percent variation in frequency generated as pseudo-random signal provided by controller

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Abstract

An electronic control system for solenoid valves is based on a chopper circuit principle in which a square wave signal of variable pulse is used to sample a second signal. In comparison to prior art systems where the chopper frequency is held constant, the circuit uses a frequency with a 20% variation over the average total frequency range. The variation in frequency is produced by using a pseudo-random signal generation implemented in software. The non-uniformity of the frequency improves the signal-to-noise ratio. USE/ADVANTAGE - For hydraulic or pneumatic valve control.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen Verstärker angesteuerten Magnetregelventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for operating one of electric amplifier controlled solenoid control valve according to the preamble of claim 1.

Magnetregelventile werden mit Chopperverstärkern, mit Gleich­ stromverstärkern, mit Quasi-Gleichstrom-Verstärkern und mit Taktventilverstärkern betrieben.Magnetic control valves are used with chopper amplifiers, with equal current amplifiers, with quasi-DC amplifiers and with Clock valve amplifiers operated.

Bei einem bekannten Chopperverstärker wird von einem Schaltele­ ment (z. B. ein Feldeffekt-Transistor) eine Spannung in einem gleichmäßigen Takt auf das Magnetregelventil aufgeschaltet. Fig. 1 zeigt die Steuerspannung des Schaltelements UPWM und sche­ matisch den Strom durch den Magneten bei einem solchen vorbe­ kannten Chopperverstärker. Ein gewünschter mittlerer Strom wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert oder geregelt. Die Frequenz der pulsweitenmodulierten Spannung (Chopper­ frequenz) wird so gewählt, daß der Anker des Magneten zu einer Mikrobewegung (Chopperung) angeregt wird. Eine hohe Chop­ perfrequenz ergibt aufgrund der Magnetankerträgheit eine geringe Chopperung und damit eine hohe Reibung und eine schlechte Ven­ tilhysterese. Eine niedrige Chopperfrequenz ist gut für die Ven­ tilhysterese, schlägt sich aber als unerwünschte, gleichförmige Schwingung auf die zu regelnde Größe durch. Oftmals ergibt sich hier bei herkömmlichen Chopperverstärkern ein Abstimmungspro­ blem.In a known chopper amplifier, a voltage is applied to the solenoid control valve by a switching element (e.g. a field effect transistor) in a uniform cycle. Fig. 1 shows the control voltage of the switching element U PWM and cal matic the current through the magnet in such a known chopper amplifier. A desired average current is controlled or regulated by pulse width modulation (PWM). The frequency of the pulse width modulated voltage (chopper frequency) is chosen so that the armature of the magnet is excited to micro-movement (choppering). A high chop frequency results in low choppering due to the magnet armature inertia and thus high friction and poor valve hysteresis. A low chopper frequency is good for the valve hysteresis, but has an undesirable, uniform vibration on the variable to be controlled. Often there is a problem with conventional chopper amplifiers.

Ein Gleichstromverstärker verwendet zum Steuern oder Regeln des gewünschten Stromes nicht ein Schaltelement, sondern ein ana­ loges Regelelement (z. B. ein Bipolar-Transistor). Im Regelele­ ment wird überlicherweise Verlustleistung umgesetzt. Dem Strom­ signal wird ein Brummstrom (Dither) überlagert, der ähnlich wie beim Chopperverstärker eine Microbewegung des Magnetankers an­ regt. Für die Frequenz des Brummstroms, bei konstanter Brummam­ plitude, besteht das gleiche Abstimmungsproblem wie beim Chop­ perverstärker.A DC amplifier is used to control or regulate the desired current is not a switching element, but an ana logic control element (e.g. a bipolar transistor). As a rule power is usually implemented. The stream signal, a humming current (dither) is superimposed, which is similar to a micro movement of the magnet armature on the chopper amplifier stimulates. For the frequency of the hum current, with constant hum  plitude, there is the same tuning problem as with the chop amplifier.

Ein Quasi-Gleichstromverstärker ersetzt das analoge Regelelement des Gleichstromverstärkers durch ein, bezogen auf die Brummfre­ quenz, höherfrequent getaktetes Schaltelement. Durch die überla­ gerte Taktung wird die Verlustleistung verringert.A quasi-DC amplifier replaces the analog control element of the DC amplifier by a, based on the humming frequency quenz, higher-frequency switching element. Through the overlaid The clocking is reduced, the power loss is reduced.

Die überlagerte Taktung kann durch eine Pulsweitenmodulations- Stromregelung oder durch einen freischwingenden Stromregler, z. B. einen 2-Punkt-Regler erzeugt werden. Der freischwingende Stromregler ist nicht an eine feste Frequenz gekoppelt. Bei kon­ stantem Stromsollwert stellt sich eine hohe Freischwingfrequenz ein. Bei Stromsollwertänderungen entstehen sehr lange Peri­ odendauern.The superimposed clocking can be done by a pulse width modulation Current regulation or by a free-floating current regulator, e.g. B. a 2-point controller can be generated. The free-swinging Current regulator is not coupled to a fixed frequency. At con constant current setpoint, there is a high free oscillation frequency a. If the current setpoint changes, the peri will be very long duration.

Ein Taktventilverstärker schaltet das Magnetregelventil mit der Taktfrequenz ein und aus. Die Regelgröße ist proportional dem Verhältnis Einschaltdauer zu Ausschaltdauer. Die Periodendauer der Taktfrequenz ist dabei groß gegenüber der Schaltzeit des Ventils. Typische Taktfrequenzen sind kleiner als die Chopper- oder Brummfrequenzen der vorgenannten Verstärker.A clock valve amplifier switches the solenoid control valve with the Clock frequency on and off. The controlled variable is proportional to that Ratio of on time to off time. The period the clock frequency is large compared to the switching time of the Valve. Typical clock frequencies are lower than the chopper or hum frequencies of the aforementioned amplifiers.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Geräuschverhalten des Magnetregelventils und des angeschlossenen hydraulischen oder pneumatischen Systems zu verbessern, die Neigung zu gleich­ förmigen Schwingungen im System zu vermindern und bei Chopper-, Gleichstrom- und Quasi-Gleichstromverstärkern das Reibungsver­ halten (Hysterese) des Magnetregelventils zu verbessern. Dies wird mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruches 1 er­ reicht.The object of the invention is the noise behavior of the solenoid control valve and the connected hydraulic or pneumatic system to improve the tendency to equal to reduce shaped vibrations in the system and with chopper, DC and quasi-DC amplifiers the friction ver maintain (hysteresis) of the solenoid control valve to improve. This is with the features according to the characterizing part of claim 1 enough.

Ein Chopperverstärker mit ungleichmäßiger Chopperfrequenz ent­ sprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 steuert oder regelt den Strom ebenfalls mittels Pulsweitenmodulation. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Steuerspannung des Schaltele­ ments und den Strom durch den Magneten nach der Erfindung. Die­ ser Verstärker verhält sich in bezug auf die Verminderung von Reibung wie ein Verstärker mit niedriger Chopperfrequenz, in be­ zug auf die Anregung von gleichförmigen Schwingungen wie ein Verstärker mit hoher Chopperfrequenz.A chopper amplifier with an uneven chopper frequency accordingly controls or regulates the current by means of pulse width modulation accordingly the characterizing features of claim 1. Fig. 2 shows an example of the control voltage of the Schaltele element and the current through the magnet according to the invention. This amplifier behaves like an amplifier with a low chopper frequency with regard to the reduction of friction, with respect to the excitation of uniform vibrations like an amplifier with a high chopper frequency.

Der subjektive Geräuschpegel des Magnetregelventils mit der An­ steuerung mittels ungleichmäßiger Chopperfrequenz liegt niedri­ ger als bei Ansteuerung mittels konstanter Chopperfrequenz. Dies trifft auch auf die anderen Ansteuerverstärker zu.The subjective noise level of the solenoid control valve with the on control by means of an uneven chopper frequency is low lower than when controlled by a constant chopper frequency. This also applies to the other control amplifiers.

Beim Chopperverstärker ist ein Verfahren bekannt, welches nicht an eine feste Frequenz gekoppelt ist. Es werden hierbei für einen bestimmten Stromsollwert Versorgungsspannungs-Impulse von konstanter Länge vorgegeben und der Stromregler regelt dazu die nötige Impulspausenlänge. Bei hohen Versorgungsspannungen stel­ len sich lange Impulspausen ein. Bei niedrigen Versorgungsspan­ nungen stellen sich kurze Impulspausen ein. Die Periodendauer setzt sich also aus einer konstanten Ein-Phase und einer vari­ ablen Aus-Phase zusammen. Eine inverse Ausführung mit konstanter Aus-Phase und variabler Ein-Phase ist auch möglich. Die Chopper­ frequenz ändert sich mit der Versorgungsspannung.A method is known for the chopper amplifier which is not is coupled to a fixed frequency. It will be used for a certain current setpoint supply voltage pulses of constant length and the current controller regulates the necessary pulse pause length. Set at high supply voltages long pause in impulses. When the supply voltage is low short pulse pauses occur. The period is composed of a constant on-phase and a vari deflect off phase together. An inverse version with constant Off-phase and variable on-phase is also possible. The choppers frequency changes with the supply voltage.

Auch beim Taktventilverstärker ist ein Verfahren bekannt, wel­ ches mit einer konstanten Ein-Phase und einer variablen Aus- Phase bzw. invers arbeitet. Ist die variable Phase lang, entste­ hen niedrige Taktfrequenzen. Ist die variable Phase kurz, ent­ stehen hohe Taktfrequenzen. Die Taktfrequenz ändert sich mit dem Sollwert.A method is also known for the clock valve amplifier, which ches with a constant on phase and a variable out Phase or inverse works. If the variable phase is long, emerge hen low clock frequencies. If the variable phase is short, ent are high clock frequencies. The clock frequency changes with that Setpoint.

Die Funktionsweise des Quasi-Gleichstromverstärkers mit frei­ schwingendem Stromregler, des Chopperverstärkers mit konstanter und variabler Phase und des Taktventilverstärkers mit konstanter und variabler Phase darf nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren gleichgesetzt werden, da die Freischwing-, Chopper- oder Taktfrequenz nur von Führungs- und Störgrößen verändert wird.The mode of operation of the quasi-DC amplifier with free oscillating current regulator, the chopper amplifier with constant and variable phase and the clock valve amplifier with constant and variable phase must not with the inventive method be equated because the cantilever, chopper or Clock frequency is only changed by command and disturbance variables.

Im Gegensatz zu den vorgenannten Verfahren wird beim erfindungs­ gemäßen Verfahren eine definiert ungleichmäßige Frequenz immer vorgegeben, die dem System z. B. mittels eines Generators nach Anspruch 3 aufgezwungen wird. Auf diese Weise ist die gewünschte Frequenzänderung jederzeit, unabhängig von Führungs- oder Stör­ größen wie z. B. Stromsollwert oder Versorgungsspannung, gewähr­ leistet.In contrast to the aforementioned methods, the invention method always defines a non-uniform frequency given the system z. B. by means of a generator Claim 3 is imposed. This way is the one you want Frequency change at any time, regardless of management or interference  sizes such as B. current setpoint or supply voltage accomplishes.

Die Chopper-, Brumm- und Taktfrequenz ist bei den bekannten Re­ gelventilansteuerungen für konstante Führungs- und Störgrößen konstant. Diese konstante Frequenz schlägt als gleichmäßige Schwingung auf die Regelgröße z. B. Druck oder Durchfluß durch. Wegen der Gleichförmigkeit der Anregung bauen sich hohe Druck- oder Durchflußschwingungsamplituden auf. Die hohen Amplituden verschlechtern den ruhigen Lauf oder die Regelbarkeit des Ge­ samtsystems. Das Verhältnis Störsignal zu Nutzsignal ist schlecht. Bei der Ansteuerung mit ungleichmäßiger Frequenz wer­ den geringere Amplituden von gleichförmigen Schwingungen er­ reicht, was zu einem ruhigeren Lauf führt.The chopper, hum and clock frequency is in the known Re gel valve controls for constant command and disturbance variables constant. This constant frequency beats as even Vibration on the controlled variable z. B. pressure or flow through. Because of the uniformity of the excitation, high pressure or flow vibration amplitudes. The high amplitudes deteriorate the smooth running or the controllability of the Ge entire system. The ratio of interference signal to useful signal is bad. When driving with uneven frequency who the lower amplitudes of uniform vibrations is enough, which leads to a quieter run.

Hauptvorteil der Erfindung ist jedoch das verbesserte Geräusch­ verhalten. Bei konstanter Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenz entstehen mechanische Schwingungen am Magnetventil direkt, in den Leitungen oder bei den angeschlossenen Verbrauchern. Diese Schwingungen sind dann als einzelner Ton von hoher Intensität störend zu hören. Insbesondere im Bereich der Fahrzeughydraulik und -pneumatik ist das Brummen von Taktventilen und das Summen von gechopperten oder geditherten Proportional- und Servoventi­ len äußerst störend.However, the main advantage of the invention is the improved noise behavior. At constant chopper, hum or clock frequency mechanical vibrations occur directly at the solenoid valve the lines or the connected consumers. This Vibrations are then of high intensity as a single tone annoying to hear. Especially in the field of vehicle hydraulics and pneumatics is the hum of clock valves and the buzzing of chopped or dithered proportional and servo venti len extremely annoying.

Eine Auswirkung der Erfindung ist, daß sich Schwingungen einer Frequenz nicht aufbauen können. Die Mischung von Schwingungen mehrerer Frequenz mit jeweils geringerer Intensität ist weniger störend als ein einziger Ton von hoher Intensität. Es kommt da­ bei nicht auf den in dB(A) zu messenden Schalldruck an, sondern auf das subjektive Geräuschempfinden.An effect of the invention is that vibrations Can not build frequency. The mix of vibrations multiple frequencies, each with a lower intensity, is less disruptive as a single tone of high intensity. It is coming at not on the sound pressure to be measured in dB (A), but on the subjective feeling of noise.

Zufallsgeneratoren nach Anspruch 3 können als Software-Algorith­ men z. B. in einem Microcontroller realisiert sein. Die bekannten Zufallsalgorithmen bevorzugen jedoch zeitweise bestimmte Fre­ quenzen oder einen bestimmten Frequenzbereich. Es hat sich des­ halb bewährt, die Zufallsfrequenzen von Hand möglichst ungleich­ mäßig auszuwählen. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Fre­ quenzwechsel, ohne Wiederholung oder Bevorzugung einer bestimm­ ten Frequenz erreicht.Random generators according to claim 3 can be used as a software algorithm men z. B. be implemented in a microcontroller. The well-known Random algorithms sometimes prefer certain Fre sequences or a certain frequency range. It has half proven, the random frequencies by hand as unequal as possible to choose moderately. In this way, a uniform Fre  change of frequency without repetition or preference of a certain frequency reached.

Enthält die Liste der Zufallsfrequenzen keine für das Ohr markan­ ten Punkte ("weißes Rauschen"), kann sie nach einer, bezogen auf die Periodendauer der niedrigsten Zufallsfrequenz, sehr langen Zeit wiederholt werden.If the list of random frequencies does not contain any markan for the ear ten points ("white noise"), it can be based on a the period of the lowest random frequency, very long Time to be repeated.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb eines von einem elektrischen Ver­ stärker angesteuerten Magnetventils, wobei der Verstärker als Chopperverstärker, als Gleichstromverstärker mit überlagertem Brummsignal, als Quasi-Gleichstromverstärker mit überlagertem Brummsignal oder als Taktventilverstärker ausgeführt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Chopperverstärker die Chopperfre­ quenz, beim Gleichstrom- und beim Quasi-Gleichstromverstärker die Brummfrequenz und beim Taktventilverstärker die Taktfrequenz unregelmäßig gewählt und die Frequenzunregelmäßigkeit definiert aufgezwungen wird.1. A method for operating a solenoid valve more strongly controlled by an electrical United, the amplifier being designed as a chopper amplifier, as a DC amplifier with a superimposed hum signal, as a quasi-DC amplifier with a superimposed hum signal or as a clock valve amplifier, as characterized in that the chopper frequency in the chopper amplifier, in the case of direct current and quasi-direct current amplifiers, the ripple frequency and, in the case of the clock valve amplifier, the clock frequency are selected irregularly and the frequency irregularity is imposed in a defined manner. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Frequenzveränderung etwa 20% einer mittleren Gesamtfrequenz beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the bandwidth of the frequency change is about 20% of a medium one Total frequency. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unregelmäßigkeit der Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenz aus einem Zufallsgenerator erzeugt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the irregularity of the chopper, hum or clock frequency a random generator is generated. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufallswerte des Zufallsgenerators innerhalb von Ober- und Untergrenzen linear nach einer Gaußverteilung oder nach einer anderen mathematischen Funktion verteilt sind.4. The method according to claim 3, characterized in that the random values of the random generator within upper and Lower limits linearly according to a Gaussian distribution or according to a other mathematical function are distributed. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gleichstrom- und beim Quasi-Gleichstromverstärker zusätz­ lich zur ungleichmäßigen Brummfrequenz noch die Brummamplitude ungleichmäßig gehalten wird.5. The method according to claim 1, characterized in that for DC and quasi-DC amplifiers the hum amplitude to the uneven hum frequency is held unevenly. 6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Kom­ bination hohe Brummfrequenz mit hoher Brummamplitude, niedrige Brummfrequenz mit niedriger Brummamplitude.6. The method according to claim 5, characterized by the com combination high hum frequency with high hum amplitude, low Hum frequency with low hum amplitude. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unregelmäßige Chopper-, Brumm- oder Taktfre­ quenzverstellung anderen vorbekannten Verfahren der Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenzverstellung, z. B. dem Verfahren der Ver­ stellung in Abhängigkeit einer Temperatur, überlagert wird.7. The method according to claims 1 to 3, characterized records that the irregular chopper, humming or tact fre other known methods of chopper,  Humming or clock frequency adjustment, e.g. B. the method of ver position depending on a temperature, is superimposed. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei oder mehreren Magnetregelventilen die ungleichmäßigen Chopper-, Brumm- oder Taktfrequenzen der einzelnen Ventile untereinander zwangsweise ungleich gewählt werden.8. Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that two or more Solenoid control valves the uneven chopper, hum or The clock frequencies of the individual valves are forced towards one another be chosen unequal.
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