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Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators - Dokument DE10318244A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10318244A1 18.11.2004
Titel Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Reif, Konrad, Dr., 88045 Friedrichshafen, DE;
Lamprecht, Martin, 84453 Mühldorf, DE;
Ibler, Kurt, 82335 Berg, DE
DE-Anmeldedatum 22.04.2003
DE-Aktenzeichen 10318244
Offenlegungstag 18.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.11.2004
IPC-Hauptklasse H01F 7/18
IPC-Nebenklasse F02M 51/06   F16K 31/06   F01L 9/04   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
Um ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Einstellung einer Periodendauer zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass einem Regler Werte der Solltrajektorie für den Hub und für die Geschwindigkeit des Ankers sowie für einen Strom durch eine Spule oder die Magnetkraft eines jeweils fangenden Elektromagneten zugeführt werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen. Die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d.h. im Wesentlichen oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktuatoren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im Wesentlichen frei gewählt werden kann. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweils durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges angepasst werden.

Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektomagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Im Bezug auf einen prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators wird auch auf die Abbildung von 1 der beigefügten Zeichnung verwiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in einer der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt.

Ein elektromagnetischer Aktuator kann in bekannter Weise in zwei Modi betrieben werden, dem s.g. "Vollhub" und dem s.g. "Freiflug". In dem Betriebsmodus "Vollhub" wird der Anker in beiden Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen der jeweilig zugehörigen Elektomagnet-Spule gebracht. Dieser Bewegungsablauf zwischen den beiden Endlagenpositionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" wird nach dem Stand der Technik zeitlich in die kontinuierlich aufeinander folgenden Phasen Fangvorgang, Verweilphase mit einer zusätzlichen Klebzeit und Ablösen bzw. Ablösephase unterteilt. Beim Fangvorgang nähert sich der Anker einem der beiden Elektromagneten. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt, dass der Anker das Joch erreicht, aufsetzt und dort verweilt. Der Verweilvorgang dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule eingeleitet wird, beispielsweise durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr. Das Ablösen des Ankers geschieht in der Regel zeitlich verzögert zur veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt.

Nach dem Stand der Technik werden Regelverfahren für elektromagnetische Aktuatoren bei Betrieb im Vollhub beispielsweise in der DE 195 30 121 A1 offenbart, die jedoch nur zu einer Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung sowie den Akluatorverschleiß Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator vorschlägt, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt und im Wesentlichen reduziert wird, so dass der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. Auch werden konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Klebzeit vorgeschlagen, wobei die Klebzeit als Größe jedoch stets vorhanden bleibt.

Als bisherige Vorgehensweise ist bekannt, dass bei einer Trajektorien-basierten Regelung eines elektromagnetischen Aktuators Sollwerte für Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Ankers des Aktuators vorgesehen sind. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie und ein Regler. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve des Ankers zwischen den Polflächen der beiden Elektromagnetspulen.

Eine Verbesserung der Steuerung der sogenannten Endphasenbewegung kurz vor dem Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden Spule durch zwischenzeitliches Abschalten der Magnetspulen und nachfolgendes geregeltes Einschalten bis zum Aufsetzen des Ankers auf dem Pol ist in der EP 0 973 177 A2 offenbart. Als Alternative zu dieser letztgenannten Lösung schlägt die EP 0 973 178 A2 das Anlegen einer getakteten Spulenspannung mit Regelung vor.

Alle die vorstehend genannten Regelungsmaßnahmen beziehen sich jedoch nur auf die Endphasenbewegung in dem Betriebsmodus "Vollhub". Von dem Betriebsmodus "Vollhub" ist ein Betrieb des elektromagnetischen Aktuators im s.g. "Freiflug" zu unterscheiden. Beim Freiflug wird beispielsweise auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule verzichtet, wenn sich der Anker dem Joch nähert. Der Anker setzt daher im Gegensatz zum "Vollhub" im "Freiflug"-Betrieb nicht auf, sondern er ändert seine Richtung und fliegt zurück noch bevor er das Joch erreicht. Mit dem Freiflug lässt sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers erzielen, da keine Klebzeit auftritt.

Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers besteht beim Freiflug lediglich aus der Zeit, die der Anker benötigt, die Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden und wieder zurück zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen kommt jedoch mindestens noch die Klebzeit hinzu.

Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass in den beiden vorstehend nur exemplarisch genannten Betriebsfällen, also "Freiflug" und "Vollhub", für eine Regelung auf der Grundlage einer Trajektorie neben einem Wert der Geschwindigkeit auch der aktuelle Ist-Wert der Beschleunigung des Ankers benötigt wird. Dieser Wert ist unter den drei zur Regelung benötigten Werten der am schwierigsten zu bestimmende Größe. Ein eigener Beschleunigungssensor oder ein Geschwindigkeitssensor zur Bestimmung der Beschleunigung sind zu teuer. Eine Auswertung des Hubsignals mit zweimaligem Differenzieren ist u.a. deswegen sehr ungenau, weil die Differenzierung nur in Form einer Differenzenbildung auf der Grundlage des Geschwindigkeitssignals durchgeführt werden kann. Aber schon dem Geschwindigkeitssignal ist stets ein relativ hoher Rauschpegel überlagert, der die Zuverlässigkeit des so gewonnenen Beschleunigungssignals zusätzlich verschlechtert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Einstellung einer Periodendauer auf der Basis einer Trajektorie zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 5 sowie 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass als Sollwerte für eine Trajektorie Hub und Geschwindigkeit des Ankers sowie der Stromfluß durch eine jeweils fangende Spule gewählt werden. Der Regler wird an diese Sollwerte angepasst. Aus einem endungsgemäßen Ansatz ergeben sich als Vorteile unmittelbar, dass eine relativ einfache Bestimmung der Ist-Werte für Hub, Geschwindigkeit und Strom durchgeführt werden kann: Der Hub wird in bekannter Weise durch einen Hubsensor ermittelt, und der Strom kann als Reaktion auf eine eingeprägte Spannung und einen aktuellen Zustand des Ankers in dem Aktuator einfach durch Messen ermittelt werden. Eine Messung anstelle einer zweimaligen Differenziation macht ein vorgeschlagenes Verfahren zuverlässiger und vereinfacht zudem auch eine entsprechende Vorrichtung gegenüber solchen nach dem Stand der Technik.

Ein Aktuator lässt sich als gekoppeltes System bestehend aus einem mechanischen System zweiter und einem elektrischen System erster Ordnung in einem Modell abbilden. Es ergibt sich also insgesamt ein System dritter Ordnung, für dessen Bestimmung nach den Grundsätzen der Mathematik drei voneinander linear unabhängige Regelgrößen erforderlich sind. Es ist ein nur einmaliges Differenzieren des Hubsignalverlaufs zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals notwendig, und die erforderliche Anzahl von drei Regelgrößen zur Bestimmung des Systems sind durch Hub und Geschwindigkeit des Ankers sowie den Strom mithin gegeben.

Der gemessene Stromverlauf bildet eine Information, die eine Aussage über einen jeweiligen Kraftverlauf enthält. Erst in einem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Information gewinnbringend als dritte Regelgröße verwendet. Eine entsprechende Sollkurve für einen Stromverlauf kann ebenfalls durch eine einfache Messung unter standardisierten Bedingungen für den Aktuator einmalig gemessen und dann fest zur Ermittlung von Soll-Werten abgelegt werden.

Damit werden als Sollwerte für eine Trajektorie Hub, Geschwindigkeit und Strom gewählt. Der Regler wird an diese Sollwerte angepasst. Diese Anpassung wird in einer Ausführungsform der Erfindung durch den Einsatz eines Reglers variabler Struktur in der sogenannten "reduzierten Form" einreicht, vergleiche hierzu J.Y. Hung, W. Gao, J.C. Hung, "Variable Structure Control: A Survey", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 40, No. 1, Feb. 1993. Es kann auf einer erfindungsgemäßen Basis auch ein anderes Reglerentwurfsverfahren zur Sicherstellung eines Ausgleichs zwischen Ist- und Sollwert frei nach Auswahl des Fachmanns verwendet werden.

Bevorzugt enthält dabei diese Soll-Trajektorie über die Zeit gesehen bzw. in Abhängigkeit von der Zeit Werte für die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet werden, sowie für die Geschwindigkeit des Ankers. Gleiches ist auch für den Strom vorgesehen. Es handelt sich in einem Fall bei der Trajektorie für eine Regelgröße also quasi um eine einfache Wertetabelle, die in einer Ausführungsform der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist. Eine rechnerische Anpassung an einen individuellen Fall ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Trajektorie einer Regelgröße in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen jeweils individuell berechnet.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Regelung unter Verwendung eines Zustandsschätzers oder Beobachters. Der Beobachter tritt dabei an die Stelle eines Differenzierers zur Bestimmung des Geschwindigkeitssignals.

Vorteilhafterweise ist die Soll-Trajektorie in Form einer Wertetabelle fest vorgegeben und in einem geeigneten Steuergerät abgelegt. Das Steuergerät ist dabei zur individuellen Anpassung der Wertetabelle an aktuelle Randbedingungen des Aktuators ausgebildet.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Sollkurve durch die drei Werte Hub, Geschwindigkeit und Magnetkraft zur Neuformulierung der Regelung entlang einer Sollkurve definiert. Eine System-interne Umrechnung der Soll-Magnetkraft in den Sollstrom und wieder zurück mit starkem Bedarf an Speicherplatz und Rechenzeit kann damit entfallen.

Die Magnetkraft wird in einer wesentlichen Weiterbildung als gesamte gewünschte Magnetkraft betrachtet, die sich aus zwei Bestandteilen zusammensetzt: der Sollmagnetkraft, die zur Steuerung des Ankers entlang der jeweiligen Sollkurve erforderlich ist und den Anker in bereits eingeregelten Zustand dementsprechend auf der Sollkurve zu halten vermag, und einem Korrekturanteil, der zur Überführung des Ankers von einem beliebigen Punkt auf die Sollkurve und mithin zur Ausregelung von Abweichungen erforderlich ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese Korrektur-Magnetkraft nach einem Standard-Entwurfsverfahren der Regelungstechnik berechnet werden, wie z.B. der Zustandsregelung.

In einer Ausführungsform der Erfindung findet eine Regelung mit den vorstehenden Merkmalen Anwendung auch auf die Haltephase, die nach dem Stand der Technik ohne eine derartige Regelung bei entsprechend hohem Energieverbrauch betrieben wurde. Als Sollkurve wird ein konstanter Hub in einer jeweils gewünschten Endlage vorgegeben, als Soll-Geschwindigkeit der Wert Null. Durch die Anwendung einer Regelung nach einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale in der Haltephase wird einer erforderlicher Stromfluss und damit eine Leistungsaufnahme des Aktuators dadurch in überraschend hohem Maße reduziert, weil ein jeweiliger Haltestrom bis auf einen kritischen Wert abgesenkt werden kann. Diese Absenkung ist möglich, da ein kurzzeitiges Wegfliegen des Ankers durch einen als Standard vorgesehenen Sensor erkannt und von der Regelung sofort korrigiert wird. Eine gewöhnliche Stromregelung leistet dies nicht, da das Wegfliegen nicht erkannt und folglich auch nicht korrigiert werden kann. Die Zuverlässigkeit muss bei einer gewöhnlichen Stromregelung durch einen erheblichen Sicherheitsabstand des Haltestroms zu einem kritischen Wert und einen damit unmittelbar verbundenen höheren Energieaufwand sichergestellt werden. Dahingegen wird dieser Sicherheitsabstand gemäß vorliegender Regelung eingespart und der Energiebedarf gesenkt.

Es ist erfindungsgemäß also mit vermindertem Aufwand auf der Seite der Sensorik und bei erhöhter Genauigkeit möglich, einen Aktuator einer elektrischen Ventilsteuerung in einem Kraftfahrzeugmotor in jedem der bekannten Betriebsfälle zuverlässig zu regeln. Auf der Basis eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine trajektorienbasierte Regelung eines elektromagnetischen Aktuators in einer elektrischen Ventilsteuerung in einem Kraftfahrzeugmotor mit Sollwerten für die Regelgrößen Hub und Geschwindigkeit des Ankers sowie Stromfluss und/oder Magnetkraft durch eine Spule eines jeweils fangenden Elektromagneten des Aktuators unter Verwendung von bekannten Verfahren durchgeführt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen Aktuators in einer geöffneten Endlage;

2: stellt ein Regelungskonzept als Blockschaltbild dar und

3a bis 3d: zeigen einzelne Phasen einer erfindungsgemäßen Regelung während eines Fangvorganges.

In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles 3 und des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben, das Hubventil 3 ist also maximal geöffnet. Zum Überführen des Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf seinen Ventilsitz 6 bewegt.

Wie üblich greift an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit ihm auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen kann. Für die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen auf den Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 einwirkenden Stößel 10, der den Anker 4 trägt und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3. An dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 abgewandten Ende des Stößels 10 greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an, die in der dargestellten geöffneten Endstellung entspannt ist.

Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für welches die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine Länge &Dgr;l im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im folgenden auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner geöffneten Position hält.

In einer hier nicht weiter dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einem Pol 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an, die im folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen Position hält.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Betriebszustand "Vollhub", in dem der Anker 4 des Aktuators 1 in jeder der Endlagen an den Polflächen 12, 13 der Elektromagnet-Spulen 8, 9 anliegt. Beim Durchlaufen einer halben Periode einer Oszillationsbewegung des Ankers 4 im Betriebsmodus "Vollhub" nähert sich der Anker 4 im s.g. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und Abbremsung ungefähr S-förmig ist.

Beim Betriebsmodus "Freiflug" wird auf eine Bestromung der jeweils fangenden Elektromagnet-Spule 8, 9 verzichtet, wenn sich der Anker 4 dem Joch nähert. Der Anker 4 setzt daher nicht auf, sondern er ändert seine Richtung in einem Abstand von einer Endlage entfernt und fliegt zurück noch bevor er das Joch erreicht. Mit dem "Freiflug" lässt sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 erzielen, da keine Klebzeit auftritt. Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 besteht also beim "Freiflug" lediglich aus der Zeit, die der Anker 4 benötigt, eine um &Dgr;z verminderte Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden und wieder zurück zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen kommt bei der Betrachtung eines geschlossenen Zyklus jedoch mindestens noch die Klebzeit tK hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder von einer Polfläche abhebt.

Ein Aktuator 1 stellt ein Regelungssystem dritter Ordnung dar, für dessen Regelung dementsprechend drei Regelgrößen benötigt werden. Die Einstellung einer Periodendauer setzt nach bekannten Regelungskonzepten in beiden dargestellten Betriebsarten eine möglichst genaue Kenntnis der Größen Hub z, Geschwindigkeit ż bzw. v und Beschleunigung a als zweite zeitliche Ableitung des Hubes z in einem Endphasenbereich einer Bewegung während des Fangvorgangs und vor dem Aufsetzen des Ankers 4 auf einer jeweiligen Polfläche 12, 13 voraus. Dabei ist jedoch bereits die Bestimmung der Geschwindigkeit z durch Ableitung der Größe Hub z relativ ungenau. Ein alternativ einzusetzender Geschwindigkeitssensor ist teuer, aber auch hier würde sich eine große Unsicherheit hinsichtlich der Zuverlässigkeit eines jeweiligen Wertes für die Beschleunigung a ergeben.

Dieser Nachteil wird in einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch behoben, dass zur Regelung nur die Größen Hub z, Geschwindigkeit ż bzw. v und ein Stromfluss l durch eine Spule 8, 9 eines jeweils fangenden Elektromagneten als Regelgrößen genutzt werden, um eine Regelung der Bewegung des Ankers 4 in dem Endphasenbereich durchzuführen. Ein entsprechendes Regelungskonzept ist in der Abbildung von 2 als Blockschaltbild dargestellt. Zur Regelung einer Sollbewegung des Ankers 4 ist ein Regler 14 vorgesehen, dem zu jeweils aktuellen Ist-Werten der Regelgrößen z, ż bzw. v und l aus Solltrajektorien dieser Regelgrößen abgeleitete Soll-Werte aus einer Wertetabelle 15 vorgegeben werden. Ein Beobachter 16 mit den Eingangswerten z und l dient neben einer Glättung der angelegten Ist-Werte einer Schätzung der Werte für die Geschwindigkeit ż bzw. v. Als Ausgangssignal 17 des Beobachters 16 werden die überarbeiteten Ist-Werte von z und l zusammen mit Schätzwerten für die Geschwindigkeit v in den Regler 14 eingegeben. Eine nach diesem Reglerkonzept von dem Regler 14 ausgegebene Spannung U liegt dann zur Beeinflussung des Zustandes des Ankers 4 an einer Spule des jeweils fangenden Elektromagneten des Aktuators 1 an.

Die Abbildungen der 3a bis 3d zeigen einzelne Phasen einer erfindungsgemäßen Regelung während eines Fangvorganges. Als Diagramm ist in der Abbildung von 3a eine an die Spule des fangenden Elektromagneten angelegte Spannung U über der Zeit t dargestellt. Ein dementsprechender Abschnitt für den zeitlichen Verlauf des Hubes z, der Geschwindigkeit ż bzw. v und des Stromverlaufes l(t) wird jeweils in den Abbildungen der 3b bis 3d skizziert wiedergegeben.

Beim Durchlaufen verschiedener Phasen in einem Endbereich der Bewegung des Ankers 4 wird jeweils zwischen zwei betragsgleichen Spannungswerten durch den Regler in Abhängigkeit der Regelgrößen hin und her geschaltet, wie in 3a dargestellt. Der Endbereich der Bewegung des Ankers 4 wird durch eine Fangphase FP zu einem Zeitpunkt t1 eingeleitet, an die sich zu einem Zeitpunkt t2 eine Bremsphase BP anschließt. Im Wesentlichen greift die Regelung nach 2 in der Bremsphase BP maßgeblich zur Beeinflussung der Bewegungszustände des Ankers 4 ein. Der Einfluss der Regelung zeigt sich in den Verläufen von Hub z und Geschwindigkeit ż bzw. v dadurch, dass der Hubverlauf stetig fortgesetzt wird und tangential in eine Endlage zmax einmündet. Ebenso wird der Verlauf der Geschwindigkeit ż bzw. v beim Übergang von Fangphase FP hin zur Bremsphase BP stetig fortgesetzt und weist ungefähr in diesem Übergangspunkt einen Wendepunkt auf, wobei der Verlauf der Geschwindigkeit mit dem Erreichen der Endlage zmax zu einem Zeitpunkt t4 hin tangential auf den Wert Null absinkt. Im Betriebsmodus "Vollhub" setzt der Anker 4 also ungefähr mit der Geschwindigkeit 0 sanft und ohne Schlagen oder Prellen etc. auf der Polfläche des fangenden Elektromagneten auf.

Ein zugehöriger Stromverlauf l(t) ist als Kurve in der Abbildung von 3d wiedergegeben, wobei der Stromfluss in der fangenden Spule mit der Annäherung des Ankers 4 auch in die Bremsphase BP hinein erst noch in charakteristischer Weise ansteigt, bevor er zu einem Übergang der Bremsphase BP in eine Haltephase HP hin auf einen vorbestimmten Wert eines Haltestroms Ih absinkt.

In der Haltephase HP wird der Anker 4 sicher auf der Hub-Position zmax der Endlage gehalten. Hierzu wird über die Spannung U in der Spule ein Haltestrom Ih eingestellt. Um sicherzustellen, dass sich der Anker 4 nach dem Aufsetzen auf der Polfläche nicht doch wieder von dem Elektromagneten abhebt und sich beispielsweise während des Aufsetzens ein Prellvorgang ausbildet, wird in einer Ausführungsform der Erfindung direkt mit Beginn der Haltephase HP eine Stromrampe 18 mit ungefähr exponential abklingender Flanke vorgesehen, wie in der Abbildung von 3d in gestrichelter Form angedeutet.

In einer alternativen und hier nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird kein Beobachter 16 verwendet. Das Signal der Hubverlaufes z wird zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals ż(t) einfach unter Hinzunahme bekannter Maßnahmen zur Fehlerreduktion differenziert.

Der Regler 14 der vorstehenden Ausführungsformen ist jedoch stets komplexer als ein aus dem Stand der Technik bekannter Regler, die Messungen zu Ermittlung der Ist-Werte der Regelgrößen ist jedoch bei gestiegener Zuverlässigkeit durch die Verwendung des Stromverlaufs l(t) wesentlich vereinfacht worden. Auf die in der Beschreibungseinleitung zitierte Literatur zum Reglerentwurf wird als eine hier eingesetzte Möglichkeit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Konzeptes ausdrücklich verwiesen.

In einer nicht weiter dargestellten alternativen Ausführungsform wird zur weiteren Minderung der benötigen Rechenzeit und des Speicherplatzbedarfes ein Regelungsverfahren unter Berücksichtigung von Sollwerten Hub z und Geschwindigkeit v des Ankers sowie statt des Stromflusses l durch eine jeweils fangende Spule eine jeweils erforderliche Magnetkraft Fm als Sollwert Fsoll gewählt werden. Der Regler wird nach dieser neuen Vorgabe an diesen Satz von Sollwerten angepasst. Aus einem derartigen Ansatz ergeben sich als Vorteile unmittelbar, dass eine Systeminterne Umrechnung einer jeweiligen Soll-Magnetkraft in einen Soll-Strom und von dem Sollstrom in die Soll-Magnetkraft wieder zurück damit entfallen kann. Ein andernfalls relativ hoher Bedarf an Speicherplatz und Rechenzeit kann damit wesentlich gemindert werden.

Aus einer jeweils gewünschten Magnetkraft Fm wird gemäß der Offenbarung der DE 102 05 383.9 ein gewünschter Strom ĩ und darauf aufbauend nach der Offenbarung der DE 102 05 385.5 eine gewünschte Spannung ũ berechnet. Weiterhin wird die gewünschte Magnetkraft Fm präziser als Summe mit zwei unterschiedlichen Anteilen bestimmt als Fm = Fsoll + Fkorr: Eine Soll-Magnetkraft Fsoll wird bestimmt, die zum Führen des Ankers 4 entlang einer jeweiligen Sollkurve erforderlich ist. Die Soll-Magnetkraft Fsoll hält den Anker 4 demnach lediglich auf der Sollkurve, wenn er bereits auf der Kurve liegt. Die Soll-Magnetkraft Fsoll wird in einfacher Weise aus dem Sollverlauf und der Federkraft bestimmt. Ein Korrekturfaktor in Form einer Korrektur-Magnetkraft Fkorr wird in seiner Größe so bemessen, dass sie den Anker 4 von einem beliebigen Punkt aus auf die Sollkurve zu bringen vermag. Sie regelt Abweichungen von der Sollkurve aus. Die Korrektur-Magnetkraft Fkorr wird dazu gemäß einem Standard-Entwurfsverfahren der Regelungstechnik bestimmt, in diesem Ausführungsfall nach der Zustandsregelung.

Eine vorstehend beschriebene Regelung wird in einem Ausführungsbeispiel auch außerhalb der eigentlichen Bewegungsphasen, also außerhalb der Zeitabschnitte einer Bewegung des Ankers 4 zwischen den Polflächen 12, 13 des Aktuators 1, in den Haltephasen HP gemäß der Figurenfolge 3a bis 3d angewendet. Als Sollkurve wird dem Regler ein konstanter Hub z einer jeweils gewünschten Endlage vorgegeben. Als Soll-Geschwindigkeit wird der Wert Null vorgegeben. Damit ist der Regler unter Vermittlung eines standardmäßig in dem Aktuator 1 vorgesehenen und daher nicht weiter dargestellten Sensors in der Lage, ein auch kurzzeitiges Wegfliegen des Ankers 4 während der Haltephase HP sicher zu erkennen. Als Reaktion wird von der Regelung sofort eine Korrektur eingeleitet, während bekannte Regelungen für diesen Fehlerfall im Prinzip blind sind und dementsprechend hohe Sicherheitsmargen für eine Bestromung in einer Haltephase HP vorsehen müssen. Dieser erhebliche Sicherheitsabstand des Haltestroms Ih zu einem jeweils von einer Aktuator-Bauart abhängigen, kritischen Wert des Haltestroms und ein damit unmittelbar verbundener höherer Energieaufwand kann damit gegenüber bekannten Regelverfahren bei erhöhter Funktionssicherheit eingespart werden.

1Aktuator 2Ventilschaft 3Hubventil 4Anker 5Ventilteller 6Ventilsitz 7Ventilschließfeder 8Elektromagnet-Spule 9Elektromagnet-Spule 10Stößel 11Ventil-Öffnungsfeder 12Polfläche 13Polfläche 14Regler 15Wertetabelle 16Beobachter 17Ausgangssignal des Beobachters (16) 18Stromrampe aBeschleunigung BPBremsphase FPFangphase FmagMagnetkraft HPHaltephase lStrom IhHaltestrom &Dgr;lLängenänderung zur Federeinstellung tZeit tKKlebzeit &Dgr;tSchaltzeitspanne USpannung vGeschwindigkeit &Dgr;zDifferenzwert zu einer maximalen Öffnung zWegkoordinate des Ankers 4/Hub zmaxEndlage żGeschwindigkeit als Ableitung des Hubverlaufes z

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel- Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, wobei eine Regelung der Bewegung des Ankers (4) unter Bezugnahme auf eine Solltrajektorie erfolgt,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    einem Regler (14) Werte der Solltrajektorie für den Hub (z) und für die Geschwindigkeit (ż) des Ankers (4) sowie für einen Stromfluß (l) durch eine Spule eines jeweils fangenden Elektromagneten (8, 9) zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ist-Werte der Geschwindigkeit (ż) durch einen Beobachter (17) ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ist-Werte der Geschwindigkeit (ż) durch Differenziation des Hubs (z) bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werte der Solltrajektorie aus einer Tabelle (15) ausgelesen werden.
  5. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel- Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, wobei eine Regelung der Bewegung des Ankers (4) unter Bezugnahme auf eine Solltrajektorie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollkurve durch die drei Werte Hub (z), Geschwindigkeit (v) und Magnetkraft (Fmag) definiert wird.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es zudem Merkmale einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkraft (Fmag) als gesamte gewünschte Magnetkraft betrachtet und aus zwei Bestandteilen (Fsoll, Fkorr) zusammensetzt bestimmt wird.
  8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur-Magnetkraft (Fkorr) nach einem Standard-Entwurfsverfahren der Regelungstechnik berechnet wird, insbesondere nach der Zustandsregelung.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung einem oder mehreren der vorstehend aufgeführten Merkmale auf eine Haltephase (HP) angewendet wird, insbesondere in einer Endlage.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Beginn der Haltephase (HP) eine Stromrampe (18) durchlaufen wird, die insbesondere eine ungefähr exponential abklingende Flanke aufweist.
  11. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) aufweist, zwischen denen der Anker verschieblich ist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) als Regler variabler Struktur in reduzierten Form ausgebildet und an Hub (z), Geschwindigkeit (v) und Strom (l) als Sollwert einer Trajektorie angepasst ist.
  13. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Soll-Trajektorie in Form einer Wertetabelle (15) fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist, die zur individuellen Anpassung an aktuelle Randbedingungen ausgebildet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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