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Dokumentenidentifikation DE10025847B4 03.03.2005
Titel Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators und seine Verwendung
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Kirschbaum, Frank, Dipl.-Ing., 70327 Stuttgart, DE;
Möckel, Heiko, Dipl.-Ing., 73730 Esslingen, DE
DE-Anmeldedatum 25.05.2000
DE-Aktenzeichen 10025847
Offenlegungstag 06.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.03.2005
IPC-Hauptklasse H01F 7/18
IPC-Nebenklasse H01F 7/16   F01L 9/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators gemäß dem Patentanspruch 1 sowie die Verwendung dieses Verfahrens.

Aus der EP 0 717 172 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators bekannt, bei dem ein auf ein Gaswechselventil wirkender Anker durch Magnetkraft zwischen einem ersten Elektromagneten und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Elektromagneten hin- und herbewegt wird und bei dem die Position des Ankers erfaßt wird und die Bestromung der Elektromagnete in Abhängigkeit der Position des Ankers erfolgt. Die Bewegung des Ankers wird im folgenden als Flug bezeichnet.

In der nicht vorveröffentlichten DE 199 02 664 A1 wird ein elektromagnetischer Aktuator beschrieben, bei dem die Position des Ankers mittels eines Trajektorienreglers (Sliding-Mode-Regler) geregelt wird. Hierbei wird der Bewegungsverlauf des Ankers, d. h. der Verlauf der Geschwindigkeit, mit der der Anker sich während seines Flugs von dem einen Elektromagneten zum gegenüberliegenden Elektromagneten bewegt, auf einen für die momentanen Betriebsbedingungen optimalen vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die Geschwindigkeit, mit der der Anker auf den jeweiligen Elektromagneten auftrifft, trotz der Regelung von Störgrößen, beispielsweise von Fertigungstoleranzen, Verschleiß, Temperatureinflüssen oder Reibungsänderungen, abhängig ist und während des Betriebs stark variieren kann. Insbesondere besteht die Gefahr, daß der Anker den Elektromagneten, auf den er sich zubewegt, nicht erreicht und vor dem Elektromagneten in einer von diesem beabstandeten schwebenden Position festgehalten wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, das eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von Störgrößen oder Betriebsparametern aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird durch Detektion der Position des Ankers ein Positionssignal gebildet und die Geschwindigkeit des Ankers während seines Flugs vom ersten zum zweiten Elektromagneten vorgebbaren, von der Position des Ankers abhängigen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt. Die Regelung erfolgt dabei mit einem Trajektorienregler, der aus dem Positionssignal ein erstes Stellsignal erzeugt, durch das ein durch den zweiten Elektromagneten fließender Fangstrom gesteuert wird. Sobald der Abstand zwischen dem Anker und dem zweiten Elektromagneten einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, wird ein integrierend wirkender Regler aktiviert. Dieser Regler erzeugt im aktiven Zustand aus einem Abstandssignal, das dem Abstand zwischen dem Anker und dem den Anker fangenden zweiten Elektromagneten entspricht, ein Korrektursignal, das zur Bildung eines Stromsollwerts für den durch den zweiten Elektromagneten fließenden Fangstrom dem vom Trajektorienregler erzeugten Stellsignal überlagert wird.

Vorzugsweise wird ein PI-Regler, ein PID-Regler oder ein I-Regler zur Realisierung des integrierend wirkenden Reglers verwendet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird im Trajektorienregler aus dem Positionssignal mittels einer Sollwertvorgabeeinrichtung ein Soll-Geschwindigkeitssignal und mittels eines Beobachters, beispielsweise mittels eines Kalman-Filters oder Differenzierers, ein der momentanen Geschwindigkeit des Ankers entsprechendes Ist-Geschwindigkeitssignal erzeugt, aus dem Soll-Geschwindigkeitssignal und Ist-Geschwindigkeitssignal durch Subtraktion ein Differenzgeschwindigkeitssignal gebildet, aus dem Differenzgeschwindigkeitssignal mittels eines PD-Reglers ein Differenzbeschleunigungssignal erzeugt und aus dem Differenzbeschleunigungssignal durch Signalbegrenzung das vom Trajektorienregler als Ausgangssignal abgegebene Stellsignal erzeugt.

Vorzugsweise wird der Bewegungsverlauf des Ankers sowohl während seines Flugs vom ersten zum zweiten Elektromagneten als auch vom zweiten zum ersten Elektromagneten geregelt, wobei die Regelung in beiden Fällen in gleicher Weise erfolgt.

Das Verfahren eignet sich bestens zum elektromagnetischen Steuern von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Anker und mit Mitteln zum Regeln des Bewegungsverlaufs des Ankers,

2 ein Weg-Geschwindigkeits-Diagramm als Sollgeschwindigkeitsverlauf des Ankers aus 1,

3 eine Regeleinrichtung zur Regelung des Geschwindigkeitsverlaufs des Ankers aus 1.

Gemäß 1 umfaßt der elektromagnetische Aktuator 1 einen Anker 10, einen ersten Elektromagneten 11, einen zweiten Elektromagneten 12, eine erste Feder 13 und eine zweite Feder 14. Die Elektromagnete 11, 12 bestehen jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster vorgesehenen Erregerspule 110 bzw. 120. Bei stromlosen Elektromagneten 11, 12, d. h. bei unbestromten Erregerspulen 110, 120 wird der Anker 10 durch die gegeneinander wirkenden Federn 13, 14 in einer Ruhelage etwa in der Mitte zwischen den Elektromagneten 11, 12 festgehalten. Durch abwechselnde Bestromung der Elektromagnete 11, 12 wird der Anker 10 zwischen den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt. Die Bewegung des Ankers 10 wird dabei auf ein mit dem Anker 10 gekoppeltes Gaswechselventil 15 einer Brennkraftmaschine übertragen, welches somit abwechselnd zwischen einer Offen- und Geschlossenstellung hin- und herbewegt wird. Liegt der Anker 10 am ersten Elektromagneten 11 an, so befindet sich das Gaswechselventil 15 in seiner Geschlossenstellung, entsprechen befindet sich das Gaswechselventil 15 in seiner Offenstellung, wenn der Anker 10 am zweiten Elektromagneten 12 anliegt.

Die Ansteuerung der Elektromagnete 11, 12 erfolgt über Ausgangsstufen 20, 21, denen Stromsollwertsignale z01, z02 als Steuersignale zugeführt werden. Das der ersten Ausgangsstufe 20 zugeführte Stromsollwertsignal z01 gibt dabei den Sollwert des durch den ersten Elektromagneten 11 fließenden Erregerstroms I1 vor. Entsprechend gibt das der zweiten Ausgangsstufe 21 zugeführte Stromsollwertsignal z02 den durch den zweiten Elektromagneten 12 fließenden Erregerstrom I2 vor. Die Stromsollwertsignale z01, z02 werden von einem Motorsteuergerät 3 in Abhängigkeit von Motorsteuerdaten generiert. Bei der Erzeugung der Stromsollwertsignale z01, z02 wird zusätzlich auch die momentane Position des Ankers 10 berücksichtig, Hierzu ist ein Positionsdetektor 16 vorgesehen, der ein der Position des Ankers 10 entsprechendes Positionssignal s liefert, welches dem Motorsteuergerät 3 zugeführt wird.

Während des Betriebs wird der Anker 10 nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers zwischen den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt und an diesen jeweils für eine durch die Stromsollwertsignale z01, z02 vorgegebene Zeit festgehalten.

Wird der Anker 10 aus einer seiner beiden am ersten Elektromagneten 11 bzw. zweiten Elektromagneten 12 anliegenden Endpositionen durch Abschaltung des jeweiligen Elektromagneten 11 bzw. 12 losgelassen, so wird er durch die Federn 13, 14 über seine Ruhelage hinaus zu dem gegenüberliegenden Elektromagneten 12 bzw. 11 beschleunigt, der nunmehr bestromt wird und somit den Anker 10 während einer Fangphase anzieht und während einer Haltephase in seiner neuen Endposition festhält.

Die Geschwindigkeit des Ankers 10, im folgenden Ankergeschwindigkeit v genannt, ändert sich in Abhängigkeit der Position des Ankers 10. Der tatsächliche Geschwindigkeitsverlauf vist(s) des Ankers 10 wird während des Öffnens des Gaswechselventils 15, also im Ventilöffnungsfall während des Flugs des Ankers 10 vom ersten Elektromagneten 11 zum zweiten Elektromagneten 12, mittels einer im Motorsteuergerät 3 vorgesehenen Regeleinrichtung auf einen für diese Bewegungsrichtung vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf vs(s) geregelt. In gleicher Weise kann der Geschwindigkeitsverlauf des Ankers 10 auch im Ventilschließfall während des Schließens des Gaswechselventils 15 auf einen nunmehr für diese Bewegungsrichtung vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt werden.

Im folgenden werden die Regelung und die hierzu erforderlichen Mittel für den Ventilöffnungsfall näher beschrieben. 2 zeigt für diesen Fall den Sollgeschwindigkeitsverlauf vs(s) als gewünschten Verlauf der Ankergeschwindigkeit. Der Anker 10 wird dabei entsprechend der Kurve vs1 aus der am ersten Elektromagneten 11 anliegenden Position s = h zu seiner am zweiten Elektromagneten 12 anliegenden Position s = 0 bewegt.

Gemäß 3 umfaßt die im Motorsteuergerät 3 vorgesehene Regeleinrichtung 30 einen Trajektorienregler 4, dem das Positionssignal s als Eingangssignal zugeführt wird und der ein Stellsignal is1 als Ausgangssignal abgibt.

Der Trajektorienregler 4 umfaßt seinerseits eine Sollwertvorgabeeinrichtung 41, einen Beobachter 42, beispielsweise ein Kalman-Filter oder einen als D-Glied ausgeführten Differenzierer, einen Subtrahierer 43, einen PD-Regler 44 sowie einen Begrenzer 45. Das Positionssignal s wird der Sollwertvorgabeeinrichtung 41 zugeführt, die daraus über eine Phasenkurve ein Sollgeschwindigkeitssignal vs erzeugt. Die Phasenkurve kann dabei in Tabellenform, in Form eines Kennfeldes oder als mathematische Funktion vorgegeben sein. In Abhängigkeit von ermittelten aktuellen Betriebsparametern können dabei unterschiedliche Phasenkurven vorgegeben werden. Relevante Betriebsparameter sind beispielsweise der Kurbeldrehwinkel, die Motordrehzahl, die Motorlast, die Motortemperatur, der Gasdruck, gegen den das Gaswechselventil 15 bewegt wird oder die Gastemperatur. Vorteilhafterweise wird während des Betriebs eine Adaption der Phasenkurve an aktuelle Betriebsparameter vorgenommen. Das Positionssignal s wird ferner dem Differenzierer 42 zugeführt, der daraus ein der momentanen Ankergeschwindigkeit entsprechendes Ist-Geschwindigkeitssignal vist erzeugt. Das Soll-Geschwindigkeitssignal vs und das Ist-Geschwindigkeitssignal vist werden dem Subtrahierer 43 zugeführt, der daraus ein Differenzgeschwindigkeitssignals &Dgr;v erzeugt, welches seinerseits dem PD-Glied 44 zugeführt wird, das daraus ein Differenzbeschleunigungssignal &Dgr;a erzeugt. Das PD-Glied 44 weist hierzu in einem ersten Signalzweig ein Proportionalglied 441 auf und in einem dazu parallelen zweiten Signalzweig eine Reihenschaltung aus einem weiteren Proportionalglied 442 und einem weiteren Differenzierer 443 auf. Die beiden Signalzweige werden in einem Summationsglied 444 zusammengeführt, das die Signale der beiden Signalzweige zum Differenzbeschleunigungssignal &Dgr;a summiert. Das Differenzbeschleunigungssignal &Dgr;a wird schließlich dem Begrenzer 45 zugeführt, der daraus das vom Trajektorienregler 4 abgegebene Stellsignal is1 erzeugt.

Die Regeleinrichtung 30 umfaßt ferner einen aktivierbaren, integrierend wirkenden Regler 5, dem ein Abstandssignal &Dgr;s als Eingangssignal zugeführt wird und der ein Korrektursignal ist als Ausgangssignal abgibt. Das Korrektursignal ist wird in einem Addierer 46 mit dem Stellsignal is1 zu einem Stromsollwert is addiert wird, welcher im vorliegenden Fall der dem zweiten Elektromagneten 12 zugeordneten Ausgangsstufe 21 als Stromsollwertsignal z02 zugeführt wird und im Ventilschließfall der dem ersten Elektromagneten 11 zugeordneten Ausgangsstufe 20 als Stromsollwertsignal z01 zugeführt wird.

Das Abstandssignal &Dgr;s ist ein Maß der Weglänge vom Anker 10 bis zu dem ihn fangenden Elektromagneten, im vorliegenden Fall bis zum zweiten Elektromagneten 12. Zur Erzeugung des Abstandssignals &Dgr;s ist ein Subtrahierer 53 vorgesehen, dem das Positionssignal s und ein der Zielposition des Ankers 10 entsprechendes Referenzpositionssignal so als Eingangssignale zugeführt werden. Die Zielposition des Ankers 10 ist im vorliegenden Fall, also im Ventilöffnungsfall, die der Offenstellung des Gaswechselventils 15 entsprechende Ankerposition, also s0 = 0, und im Ventilschließfall die der Geschlossenstellung des Gaswechselventils 15 entsprechende Ankerposition, also s0 = h.

Der Regler 5 weist in seinem Signalpfad vorteilhafterweise ein als PI-Regler ausgeführtes Regelglied 50 auf, denkbar ist aber auch ein als PID-Regler oder I-Regler ausgeführtes Regelglied 50. Der Regler 5 ist nur in der Endphase des Ankerflugs wirksam, d. h. er wird erst aktiviert, wenn der Abstand zwischen Anker 10 und fangendem zweiten Elektromagneten 12 einen vorgegebenen Schwellwert &Dgr;x unterschreitet. Er weist hierzu in seinem Signalpfad einen Schalter 51 auf, der durch einen Komparator 52 in Abhängigkeit des Positionssignals s betätigt wird. Der Schalter 51 ist dabei geschlossen, wenn das Abstandssignal &Dgr;s kleiner als der Schwellwert &Dgr;x ist, und er ist offen, wenn das Abstandssignal &Dgr;s größer als der Schwellwert &Dgr;x ist, d. h. der Schalter 51 wird geschlossen, wenn das Positionssignal s im Ventilöffnungsfall einen Wert x = &Dgr;x unterschreitet und im Ventilschließfall einen Wert x = h – &Dgr;x überschreitet.

Mit dem Trajektorienregler 4 wird durch die Regelung des Bewegungsverlaufs des Ankers 10 auch die Flugzeit des Ankers 10, d. h. die vom Anker 10 für seinen Flugbenötigte Zeit, geregelt. Eine dem Trajektorienregler 4 inhärente Regelabweichung wird dabei in der Endphase des Ankerflugs aufgrund der integrierenden Wirkung des dann zugeschalteten Reglers 5 auf Null reduziert. Die erfindungsgemäße Kombination des Trajektorienreglers 4 mit dem integrierend wirkenden Regler 5 ermöglicht somit sowohl die Regelung der Flugzeit des Ankers 10 als auch die Regelung der Ankergeschwindigkeit beim Auftreffen des Ankers 10 auf den ihn fangenden Elektromagneten.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators (1), der einen ersten Elektromagneten (11) und einen diesem gegenüberliegenden zweiten Elektromagneten (12) sowie einen zwischen den Elektromagneten (11, 12) gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn (13, 14) hin- und herbewegbaren Anker (10) aufweist, bei dem ein der Position des Ankers (10) entsprechendes Positionssignal (s) gebildet wird und die Geschwindigkeit des Ankers während seines Flugs vom ersten Elektromagneten (11) zum zweiten Elektromagneten (12) auf einen von der Position des Ankers (10) abhängigen Sollgeschwindigkeitsverlauf (vs) geregelt wird, wobei die Regelung mit einem Trajektorienregler (4) durchgeführt wird, der aus dem Positionssignal (s) ein Stellsignal (is1) zur Steuerung eines durch den zweiten Elektromagneten (12) fließenden Fangstroms (12) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem einen vorgegebenen Schwellwert (&Dgr;x) unterschreitenden Abstand zwischen dem Anker (10) und dem zweiten Elektromagneten (12) ein integrierend wirkender Regler (5) aktiviert wird, der im aktiven Zustand aus einem dem Abstand zwischen Anker (10) und zweiten Elektromagneten (12) entsprechenden Abstandssignal (&Dgr;s) ein Korrektursignal (is2) erzeugt, das zur Bildung eines Stromsollwerts (is) für den durch den zweiten Elektromagneten (12) fließenden Fangstrom (12) dem Stellsignal (is1) überlagert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein I-Regler, ein PI-Regler oder ein PID-Regler zur Realisierung des integrierend wirkenden Reglers (5) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Trajektorienregler (4) das Positionssignal (s) einer Sollwertvorgabeeinrichtung (41) zur Erzeugung eines Soll-Geschwindigkeitssignals (vs) und einem Beobachter (42) zur Erzeugung eines der momentanen Geschwindigkeit des Ankers entsprechenden Ist-Geschwindigkeitssignals (vist) zugeführt wird, das Soll-Geschwindigkeitssignal (vs) und das Ist-Geschwindigkeitssignal (vist) einem Subtrahierer (43) zur Erzeugung eines Differenzgeschwindigkeitssignals (&Dgr;v) zugeführt wird, das Differenzgeschwindigkeitssignal (&Dgr;v) einem PD-Regler (44) zur Erzeugung eines Differenzbeschleunigungssignals (&Dgr;a) zugeführt wird und das Differenzbeschleunigungssignal (&Dgr;a) einem Begrenzer (45) zur Erzeugung des Stellsignals (is1) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Ankers (10) während seines Flugs vom zweiten Elektromagneten (12) zum ersten Elektromagneten (11) in gleicher Weise geregelt wird wie während seines Flugs vom ersten Elektromagneten (11) zum zweiten Elektromagneten (12).
  5. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche zur Betätigung eines mit dem Anker (10) gekoppelten Gaswechselventils (15) einer Brennkraftmaschine.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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