用于控制拉杆磁铁的方法和装置与流程

1.本专利申请要求2018年11月22日的德国专利申请10 2018 129 489.1的优先权，其内容在此通过援引合并于本专利申请的主题。
2.本发明涉及应用在带触觉反馈的运载工具操作单元中的用于控制拉杆磁铁的方法和装置，用来产生规定的待由拉杆磁铁施加的力，这些拉杆磁铁在静止状态下具有潜在变化的气隙宽度。本发明尤其涉及应用于运载工具的带触觉反馈的操作单元的这种装置和这种方法。本发明还涉及采用前述方法和/或前述装置的带触觉反馈的运载工具操作单元。


背景技术：

3.拉杆磁铁例如应用于带触觉反馈的操作单元，以便脉冲式地机械地激励接触敏感的操作部件比如触摸屏，用于触觉地反馈有效的指令输入。在此，这种脉冲式的机械的激励应在操作单元的寿命内尽量保持恒定。
4.由于老化和温度影响以及制造原因，在拉杆磁铁的静止状态下产生的气隙的误差范围直至数百微米。气隙的大小非常近似地与拉杆磁铁的励磁线圈电感或者拉杆磁铁的电感成反比，从而给励磁线圈施加的同一个电控制信号引起明显不同的力曲线。
5.在实践中，对拉杆磁铁的控制往往通过实时调控回路来实现，借助该调控回路可以补偿并且相应地考虑气隙的影响。在wo
‑
a
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2017/046026中记载了这种调控系统的一个例子。但出于成本和资源的原因(计算时间、中断)，有时不考虑调控回路。
6.由us
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8 657 587已知一种输液泵，其中，引起泵作用的拉杆磁铁在其气隙方面受到监视。
7.us
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2018/0090253中介绍了一种操作单元，其中，采用了拉杆磁铁，其气隙宽度得到补偿，以便调控由使用者施加到操作部件上的顶压力。


技术实现要素：

8.本发明的目的是，提出用于在没有传感器和调控回路的情况下控制拉杆磁铁的工作的方法和装置，用来产生限定的待由拉杆磁铁施加的力。此外，本发明的目的是，提出一种采用前述方法或前述装置的操作单元。
9.为了实现该目的，通过本发明提出一种应用在带触觉反馈的运载工具操作单元中的用于控制拉杆磁铁的装置，用来产生规定的待由拉杆磁铁施加的力，这些拉杆磁铁在静止状态下具有潜在变化的气隙宽度，其中，该装置设置有：
10.‑
用于给拉杆磁铁的励磁线圈供电的dc电压源；
11.‑
至少一个与dc电压源并联的带有已知电容的缓冲电容器；
12.‑
布置在dc电压源与缓冲电容器之间的第一开关，
13.‑
其中，拉杆磁铁的励磁线圈和与该励磁线圈串联的第二开关与缓冲电容器并联连接；和
14.‑
控制和评估单元，用于控制第一开关以及第二开关，且用于评估在励磁线圈上降
落的测量电压，
15.‑
其中，控制和评估单元在充电的缓冲电容器情况下使得第一开关断开，以及使得第二开关闭合，并且借助于测量电压来求出振荡电路的频率，该振荡电路具有缓冲电容器的电容和拉杆磁铁的电感，
16.‑
其中，通过控制和评估单元，借助所求出的频率，可求出拉杆磁铁的电感，
17.‑
其中，通过控制和评估单元，借助拉杆磁铁的所求出的电感，可求出拉杆磁铁的气隙宽度，
18.‑
其中，借助所述拉杆磁铁的电磁特性的数学建模或者查询表，能够由所述控制和评估单元至所述第二开关地把pwm控制信号施加到第二开关上，在所述pwm控制信号的情况下，所述拉杆磁铁能够在考虑到所求出的气隙宽度情况下工作以产生待由拉杆磁铁施加的预定义的力。
19.此外，通过本发明提出一种应用在带触觉反馈的运载工具操作单元中的、用于控制拉杆磁铁的方法，用来产生规定的待由拉杆磁铁施加的力，这些拉杆磁铁在静止状态下具有潜在变化的气隙宽度，该方法具有如下步骤：
20.‑
提供拉杆磁铁的电磁特性的数学建模或查询表，其中，借助该数学建模或者查询表来得出在假定各种气隙宽度的情况下把在脉冲宽度和/或时长方面定义的哪个pwm控制信号施加到拉杆磁铁的励磁线圈上，用来产生可设定的待由拉杆磁铁施加的力；以及
21.‑
求取拉杆磁铁的气隙宽度，其方式为，
22.‑
使得带有与励磁线圈并联连接的缓冲电容的拉杆磁铁作为振荡回路工作；
23.‑
在缓冲电容已知的情况下由线圈上的电压降求出振荡频率；
24.‑
借助振荡回路频率和已知的缓冲电容来求出励磁线圈的电感；
25.‑
借助励磁线圈的绕组匝数和拉杆磁铁的气隙的横截面积来求出当前的气隙宽度；以及
26.‑
利用pwm信号控制励磁线圈，其中，借助数学建模或查询表，在设定的待施加的力和求出的气隙宽度情况下产生所述pwm信号。
27.最后，前述装置或前述方法在运载工具操作单元上用来产生触觉反馈的应用也用于实现该目的。
28.最后，为了实现该目的，提出一种带有触觉反馈的运载工具操作单元，该操作单元设置有：
29.‑
可手动操作的操作部件；和
30.‑
根据上述类型的装置，
31.‑
其中，为了产生触觉反馈，该装置的拉杆磁铁机械地作用到操作部件上，并且脉冲式地激励该操作部件。
32.本发明的主要特征是，当带有缓冲电容(缓冲电容器)的拉杆磁铁作为振荡回路工作时，间接地借助在拉杆磁铁的励磁线圈上降落的测量电压来求出拉杆磁铁的电感。由该测量电压可以求出振荡回路的频率。在缓冲电容已知的情况下，现在可以确定拉杆磁铁的电感。然后，在电感已知的情况下，可以由电感与励磁线圈的绕组匝数、气隙的横截面积大小、气隙的宽度和空气的磁导率的已知的关系，算出气隙宽度。随后，借助拉杆磁铁的电磁特性的数学建模或查询表，又可以根据大小和时长求出或读出控制信号，利用该控制信号
控制励磁线圈，以便拉杆磁铁施加所希望的力。
33.在此，本发明最终所基于的物理数学基础和情况如下：
34.尺寸足够的带有气隙的拉杆磁铁的电感非常近似地满足如下公式：
[0035][0036]
在此，n是线圈的绕组匝数，a是气隙的横截面积，h是其长度，μ0是空气的磁导率。尽管全部其余参数相对精确地固定并且仅不明显地波动，气隙长度h却受到较大的误差和外部影响。
[0037]
现在显然的是，借助合适的传感机构来测量气隙的长度，并且通过调控来补偿其对电感的影响。替代地有如下设计方案：借助附加的测量线圈来测量磁铁芯部中的磁通量，并基于此予以调控(例如参见wo 2017/046026 a1)。
[0038]
为了降低硬件成本，根据本发明提出，间接地测量装置的电感，并且由此根据上述公式推断出气隙宽度。这不应在调控情况下进行，而是应在少数几个由最终用户看来合适地选择的时间点进行，比如在出现明显的温度变化时进行，基于该温度变化可以推测出气隙已经改变了。此外，在任何情况下在设备起动时都要进行初始测量。
[0039]
根据本发明，以如下方式实现测量：拉杆磁铁的线圈通过开关与本来就存在的被充电的缓冲电容c连接。同时，使得缓冲电容器与电压源分开。有时还必须采取措施(例如可接入的电阻)，来使得电流不会高到出现显著的气隙变化的程度。于是产生了一种电的(rlc)振荡回路，其谐振频率f为：
[0040][0041]
通过优选高电阻的a/d变换器，可以测量振荡回路的电压，并且对其频率利用软件予以评估。为了使得控制和评估单元的微控制器的所需采样速率和计算能力保持有限，适宜的是，适当地选定电容c，使得频率按照所述公式是低的。然后，利用已知的电容和测得的频率，由该测量，针对电感得到：
[0042][0043]
并且最终针对气隙宽度得到：
[0044][0045]
借助如此求出的气隙宽度，可以由数学模型或查询表来求出合适的电控制信号，以便在无调控的情况下产生规定的力曲线。
附图说明
[0046]
下面借助附图详述本发明，在附图中示出了原理电路草图。
具体实施方式
[0047]
用于控制拉杆磁铁12的电路10具有用于给拉杆磁铁的励磁线圈16馈电的dc电压
源14。缓冲电容器18与dc电压源14并联连接。由评估和控制单元22评估的测量电压20在励磁线圈16上降落。评估和控制单元22是例如带有微控制器、a/d变换器和其它对于数字信号处理所需要的组件的装置，这基本上是已知的。
[0048]
h表示在拉杆磁铁12的磁轭24和拉杆26之间的气隙宽度。拉杆26与例如运载工具操作单元的操作部件机械地耦联。操作部件具有例如接触敏感的操作表面。在有效地操纵操作部件时，该操作部件受到机械的激励，以便产生触觉反馈。为此，利用由评估和控制单元22产生的控制信号来使得特别是半导体开关28闭合预定的时长。
[0049]
现在为了即使在例如因温度引起气隙宽度h变化时也通过开关28的闭合用对于所希望的力产生所需的电能给励磁线圈16供电，需要不时地求取气隙宽度h。为此，断开开关28，并且使得事先断开的另一开关特别是半导体开关30闭合。在开关30闭合时，评估测量电压20，以便由拉杆磁铁12的缓冲电容c和电感l确定出振荡回路的频率。由此可以在缓冲电容c已知时求出拉杆磁铁12的电感l，由此在励磁线圈16的绕组匝数已知并且气隙的横截面积a已知的情况下又可以计算出气隙宽度h。于是可以在例如查询表中或者通过对拉杆磁铁12的建模来求出脉冲时长，开关28闭合长达该脉冲时长，以便在当前求出的气隙宽度h情况下通过拉杆磁铁12产生所需要的或所希望的力。
[0050]
电路10或根据本发明的装置的主要优点在于，无需调控回路和传感器就可以控制拉杆磁铁，以便施加所希望的力。由此与用于运载工具的带触觉反馈的特别是操作部件的已知拉杆磁铁控制相反，无需昂贵的且计算量大的实时调控回路，其方式为，对拉杆磁铁的控制基于间接地测量气隙宽度来进行。
[0051]
在附图中用附图标记32来表示运载工具操作单元34的操作部件，该操作部件被拉杆磁铁12脉冲式地机械地激励，以便产生触觉反馈。操作部件32可以是触摸屏或触控板。在识别出有效地操作了操作部件32时，控制拉杆磁铁12，以便触觉地把有效的操作通知给操作者。
[0052]
附图标记清单
[0053]
10 电路
[0054]
12 拉杆磁铁
[0055]
14 dc电压源
[0056]
16 励磁线圈
[0057]
18 缓冲电容器
[0058]
20 测量电压
[0059]
22 评估和控制单元
[0060]
24 磁轭
[0061]
26 拉杆
[0062]
28 半导体开关
[0063]
30 半导体开关
[0064]
32 操作部件
[0065]
34 操作单元
[0066]
a
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横截面积
[0067]
c
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缓冲电容
[0068]
l
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电感
[0069]
h
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气隙宽度