Warning: fopen(111data/log202007141225.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
Verfahren zur Schätzung stationärer Positionen eines elektromagnetischen Antriebs - Dokument DE10216759A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10216759A1 19.02.2004
Titel Verfahren zur Schätzung stationärer Positionen eines elektromagnetischen Antriebs
Anmelder LSP Innovative Automotive Systems GmbH, 71739 Oberriexingen, DE
Erfinder Saffert, Eugen, 98693 Ilmenau, DE
Vertreter LENZING GERBER Patentanwälte, 40212 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 16.04.2002
DE-Aktenzeichen 10216759
Offenlegungstag 19.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.02.2004
IPC-Hauptklasse H01F 7/08
IPC-Nebenklasse F01L 9/04   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Schätzung von stationären Positionen eines elektromagnetischen Antriebs beschrieben. Jede dieser Positionen wird von einem rekursiven Tiefpassfilter geschätzt, das den aktuellen Positionsmesswert von einer geeigneten Schaltlogik genau dann erhält, wenn dieser der jeweiligen stationären Position zugeordnet werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung stationärer Positionen eines elektromagnetischen Antriebs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 1132 580A1 bekannt. Derartige elektromagnetische Antriebe werden z. B. zur Betätigung von Ventilen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei dem oben genannten Stand der Technik sind die angesprochenen stationären Positionen die obere und untere Endlage des Ankers des Antriebs. Beim Stand der Technik wird über eine erste Zeitspanne ermittelt, ob der aktuelle Positionswert innerhalb eines Umgebungsbereichs des vorgegebenen stationären Positionswerts verbleibt. Dann wird innerhalb einer zweiten Zeitspanne der Mittelwert mehrerer nacheinander ermittelter aktueller Positionswerte gebildet und dieser Mittelwert wird dann als neuer Schätzwert ausgegeben und verwertet. Es müssen hier für die Ermittlung des neuen Schätzwerts jeweils zwei Messwertreihen verarbeitet werden.

Der Erfindung liegt die gleiche Grundaufgabe wie dem erwähnten Stand der Technik zu Grunde. Diese Aufgabe, nämlich die Ermittlung von Schätzwerten für stationäre Positionen eines derartigen Antriebs, soll jedoch in kürzerer Zeit gelöst werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Stationäre Positionen des Ankers des elektromagnetischen Antriebs sind solche Positionen, in denen sich aufgrund von mechanischen Anschlägen, bzw. Fixierungen ohne aufwändige Positionsregelung eine stabile Ruhelage ergibt. Dies sind:

die obere und untere Endlage des Ankers, wie beim Stand der Technik, aber zusätzlich z. B. auch

eine oder mehrere mechanisch fixierte Zwischenstellungen des Ankers (Teilhub) zwischen den Endlagen und

die Position des Ankers in der oberen Endlage des Ventils (Ventilspiel)

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der Endlagen des Ankers eines elektromagnetisehen Antriebs ergibt sich aus der hochgradig nichtlinearen Kraft-Weg-Charakteristik, die solchen Antrieben eigen ist, und zu deren Kompensation im Rahmen einer entsprechenden Regelungsstrategie die genaue Kenntnis des Luftspaltes benötigt wird, der wiederum als Abstand des Ankers von seinen Endlagen definiert ist.

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der weiteren oben erwähnten stationären Zwischenpositionen ergibt sich aus der Zielstellung, diese Positionen während des Betriebs des Antriebs möglichst schnell und mit niedriger Annäherungsgeschwindigkeit anzufahren, wozu deren genaue Kenntnis notwendig ist. Solche Zwischenstellungen des Ventils, bzw. Ankers sind für die Motorregelung von Interesse (sh. auch die DE-Patentanmeldung 101 23 454.6).

Neben dem oben erwähnten Vorteil der schnelleren Ermittlung des Schätzwerts tritt bei der Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik, kein Zeitkonflikt auf. Außerdem kann bei der Erfindung die Feststellung der stationären Positionen im einzelnen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht versagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • – Erfassung des aktuellen Positionsmesswertes
  • – Verarbeitung des Positionsmesswertes für alle zu schätzenden stationären Positionen und zwar durch:
  • – Überprüfung ob das jeweilige Aktualisierungskriterium durch den aktuellen Positionsmesswert für die jeweilige stationäre Position erfüllt ist
  • – wenn diese erfüllt ist wird die Aktualisierung der Schätzung der Position mittels einer rekursiven Tiefpassfilterung durchgeführt
  • – ist das Aktualisierungskriterium nicht erfüllt, dann erfolgt die Aktualisierung der Schätzung der Endposition durch Übernahme des vorhergehenden Schätzwerts
  • – das Verfahren wird ab Anfang im nächsten Abtastschritt wiederholt

Als Aktualisierungskriterium wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein gleitendes Kriterium verwandt, das heißt ein Kriterium, das nicht absolut, sondern in Bezug auf die Schätzung der jeweiligen stationären Position durch folgende Ungleichung definiert ist: eik1 – diu ≤ xk ≤ eik1 + dio wobei xk der aktuelle Positionsmesswert zum Zeitpunkt k und eik1 die Schätzung der i-ten stationären Position zum vorhergehenden Abtastzeitpunkt k – 1 sind. Erläuternd sei darauf hingewiesen, dass die Schätzung der i-ten stationären Position zum aktuellen Abtastzeitpunkt k noch nicht verwendet werden kann, da sie erst in der Folge berechnet wird.

Des weiteren sind diu und dio die Abstände zur unteren, bzw. oberen Schranke. Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit der Gleichung (1) können die Abstände je nach Lage der zu schätzenden stationären Position durchaus zu Unendlich gewählt werden, wodurch das beidseitige Kriterium (1) dann zu einem der folgenden einseitigen Kriterien entartet: eik1 – diuxk (1a) xk ≤ eik1 + di0 (1b)

Das Kriterium (1a) wird man insbesondere bei der obersten stationären Position (x maximal) und das Kriterium (1b) bei der untersten stationären Position (x minimal) verwenden.

Die Aktualisierung der Schätzung für die stationäre Position durch rekursive Tiefpassfilterung erfolgt nach folgender Gleichung: eik = (1 – &agr;)eik1 + &agr;xk (2) wobei 0 < &agr; < 1 ein Filterfaktor ist, der sich aus der gewünschten Grenzfrequenz des Tiefpassfilters und der Abtastfrequenz in einer dem Fachmann bekannten Weise ergibt. Er wird zweckmäßiger Weise zwischen 0,0001 und 0,01 gewählt, was in etwa einer Mittelwertbildung über 10 000, bzw. 100 Positionsmesswerten entspricht.

Ist das Aktualisierungskriterium nicht erfüllt, so wird die Schätzung der entsprechenden stationären Position nach folgender Gleichung aktualisiert: eik = eik1 (2a) das heißt der Schätzwert bleibt unverändert.

Ergänzend sei angemerkt, dass sich Gleichung 2a ergibt, wenn statt des aktuellen Positionsmesswertes xk die letzte Schätzung der i – ten Endposition eik1, in Gleichung 2 eingesetzt wird, das heißt: eik = (1 – &agr;)eik1 + &agr;eik1 = l – &agr; + &agr;)eik1 = eik

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Antriebs

2 bis 5 Diagramme zur Erläuterung

6 ein Flussdiagramm mit den erfindungsgemäßen Schritten

In 1 ist mit 1 ein Ventil eines Verbrennungsmotors bezeichnet. Mittels eines bei 2 schwenkbar gelagerten Hebels 3 wird dieses Ventil 1 betätigt, wenn Elektromagnete 4 und 5 abwechselnd betätigt werden. Auf diese Ventilbetätigung wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte ein, nämlich eine nach oben gerichtete Ventilfeder 6 und eine in der Lagerung des Hebels 3 wirksame entgegengesetzt wirkende Drehstabfeder 7.

Die obere und untere Endlage des Ankers sind mit 8a und 8b, drei mögliche Zwischenstellungen des Ankers, bei denen eine Festhalteeinrichtung, z. B. eine Rastung, wirksam ist mit 8c, 8d und 8e und eine weiter Stellung, bei der das Ventil auf seinem Ventilsitz anliegt mit 8f bezeichnet. Nicht eingezeichnet ist das Festhaltesystem in diesen Stellungen. Diese sind in der DE 197 12 062A1 und der DE Patentanmeldung 101 23 454.6 erläutert.

Da das Verfahren ständig jeden einzelnen Positionsmesswert entsprechend 8a bis 8f verarbeitet, ist der Rechenaufwand pro Abtastschritt konstant und die aktualisierten stationären Positionen stehen immer sofort nach der Verarbeitung der aktuellen Abtastung zur Verfügung. Damit sind bestimmte Nachteile des Standes der Technik vermieden.

Durch die Anwendung eines rekursiven Tiefpassfilters wird eine bessere Filterung der Positionsmesswerte erreicht und trotzdem eine störende Zeitverzögerung vermieden. 2 bis 4 illustrieren dies für eine Abtastzeit von 20&mgr;s:

2 zeigt das ungestörte Signal und das entsprechend verrauschte Messsignal

3 zeigt die entsprechend dem Stand der Technik gefilterten Signale für N2 = 10 und N2 = 100. Dabei ist deutlich der Kompromiss zwischen Zeitverzögerung und Filterwirkung zu erkennen.

4 zeigt das nach dem Stand der Technik (N2 = 1000) gefilterte Signal 9a gemeinsam mit dem erfindungsgemäß gefilterten Signal 9b. Das rekursive Tiefpassfilter (&agr; = 0,001) erzielt in jedem Abtastschritt (20&mgr;s) die gleiche Filterwirkung wie der Stand der Technik für eine Messwertreihe mit 1000 Werten (20ms), das heißt nach 1000-fach kürzerer Zeitverzögerung.

Das erfindungsgemäße Aktualisierungskriterium sichert auch eine bessere Konvergenz des Verfahrens:

  • – Durch Verarbeitung jedes einzelnen Messwerts kann der stationäre Kontakt beliebig kurz sein (bereits 1 Abtastung statt N1 Abtastungen).
  • – Die Verwendung eines gleitenden Aktualisierungskriteriums erlaubt beliebig große Driften der zu schätzenden stationären Position.

5 zeigt die Konvergenz des Verfahrens bei der Schätzung der oberen Endlage des Ankers ausgehend von einem Startwert von 3,5mm zum tatsächlichen Wert von 4,19mm.

6 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nach der periodisch in einem vorgegebenen Takt von z. B. 20&mgr;s stattfindenden Startauslösung bei 10 wird zunächst der aktuelle Positionsmesswert durch 11 erfasst. In 12 wird der Schleifenzähler i für alle n zu aktualisierenden stationären Positionen initialisiert. In 13 erfolgt die Berechnung der gleitenden Schwellwerte der i-ten stationären Position entsprechend Gleichung (1), bzw. (1a) oder (1b). Der Block 14 unterscheidet für die aus Block 13 für den jeweiligen stationären Positionswert kommenden Schnellwerte, ob die Gleichung (1) erfüllt ist. Ist dies der Fall, so wird das i-te Filter gemäß Gleichung (2) in Block 15a aktualisiert. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt die Aktualisierung gemäß Gleichung (2a) in Block 15b. Danach wird mittels Block 16 auf die nächste stationäre Position i + 1 weitergeschaltet und das Verfahren für diese wiederholt. Im Falle i > n sind alle n stationären Positionen aktualisiert und der Vorgang wird beendet.


Anspruch[de]
  1. 1) Verfahren zur Schätzung der stationären Positionen (8a bis 8f) eines elektromagnetischen Antriebs, bei dem zu dieser Schätzung aktuelle Positionswerte xu erfasst und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass für jede dieser stationären Positionen (8a bis 8f) getrennt dieser aktuelle Positionswert xk von einer Schaltlogik (12 bis 14) einem rekursiven Tiefpassfilter zugeführt wird, wenn der aktuelle Positionswert xk sich in der Nähe des vorher erhaltenen Schätzwerts eik1 dieser stationären Positionen befindet, und dass der Ausgangswert des rekursiven Tiefpassfilters als aktueller Schätzwert eik weiter verarbeitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rekursive Tiefpassfilter (15a, 15b) der Gleichung eik = (1 – &agr;)eik1 + &agr;xk gehorcht, wobei eik der aktuelle Schätzwert, &agr; ein zwischen 0 und 1 liegender Filterfaktor und eik1 der vorhergehende Schätzwert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass &agr; < 0,01 ist
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltlogik (12 bis 14) ein gleitendes Aktualisierungskriterium mit der Ungleichung eik1 – diu ≤ xk ≤ eik1 + dio beinhaltet, wobei diu und dio Werte für je eine untere und obere Schranke sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der obersten oder untersten Position (8a, bzw. 8b) des Antriebs die Ungleichung zu eik1 – diu ≤ xk bzw. xk ≤ eik1 + dio gewählt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllung des Aktualisierungskriteriums für den neuen Positionswert xu der vorher geschätzte stationäre Positionswert eik1 verwendet wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com