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Dokumentenidentifikation DE102004054759A1 24.05.2006
Titel Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Seethaler, Rudolf, Dr., 80804 München, DE;
Cosfeld, Ralf, 81375 München, DE
DE-Anmeldedatum 12.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004054759
Offenlegungstag 24.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2006
IPC-Hauptklasse F01L 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Die Drehaktuatorvorrichtung umfasst dabei einen steuerbaren Elektromotor mit einem Betätigungselement zum Betätigen des Gaswechselventils, zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil wirkende Energiespeichermittel, eine Steuer- und Regeleinrichtung, die den Elektromotor hinsichtlich seines Rotorwinkels gemäß einer hinterlegten Sollbahn ansteuert, und einen Wegsensor zur Erfassung der Rotorposition. Erfindungsgemäß wird mindestens eine Zustandsgröße des Elektromotors ermittelt, die mindestens eine Zustandsgröße mit einer Referenzgröße verglichen und bei Abweichung zwischen den zu vergleichenden Größen die hinterlegte Sollbahn und/oder das erfasste Wegsensorsignal in Abhängigkeit von der Zustandsgröße verändert.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere findet das Verfahren Anwendung bei Drehaktuatorvorrichtungen ohne mechanische Endanschläge.

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle zur Steuerung der Gaswechselventile mechanisch über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bringt es erhebliche Vorteile, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen sogenannten vollvariablen (veränderbare Steuerzeiten und veränderbarer Ventilhub), beispielsweise einen sogenannten elektromagnetischen Ventiltrieb möglich. Bei einem vollvariablen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht.

Bei einem Grundtyp (sogenannte Hubaktuatoren) sind einem Ventil oder einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden.

Bei dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin und her schwenkbar ist.

Zur Regelung eines Drehaktuators sind genaueste Sensorwerte erforderlich, die eine Information wiedergeben über die momentane Position des rotierenden Antriebselements und/oder des das Antriebselement des Drehaktuators antreibenden Elementes selbst, z.B. die Position des vom Rotor angetriebenen Betätigungselements (z.B. Nockenwelle) oder die Rotorposition selbst. In bekannten Drehaktuatorvorrichtungen werden Wegsensoren jeweils durch das Anfahren von mechanischen Anschlägen, die die Endpositionen eines Steuernockens definieren, kalibriert.

Aus der DE 101 40 461 A1 ist eine Drehaktuatorvorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils mit derartigen mechanischen Anschlägen bekannt. Die Hubsteuerung der Gaswechselventile erfolgt hier über einen kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit einem drehfest verbundenen Steuernocken angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Rotor des Elektromotors hin und her und der Steuernocken drückt über einen Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung. Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft der Ventilfeder beim Öffnen des Gaswechselventils überwinden muss, ist an die Welle eine zusätzliche Feder angebracht. Die Kräfte von Ventilfeder und zusätzlicher Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie entweder in der Ventilfeder (Schließfeder) oder in der zusätzlichen Feder (Öffnungsfeder) gespeichert ist. Die beschriebene Vorrichtung schlägt zur eindeutigen Positionierung des Steuernockens in seinen Endlagen vor, das dieser mittels eines ersten und mittels eines zweiten Drehanschlages eindeutig positioniert wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist allerdings, dass die Kalibrierung von Wegsensoren zur Positionsbestimmung durch Anfahren von mechanischen Anschlägen nicht für alle Anwendungsfälle eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweist. Je nach Aufbau der verwendeten Drehaktuatorvorrichtung sind die mechanischen Toleranzen des Systems so groß, dass eine erforderliche Genauigkeit nicht erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vermessung und Kalibrierung eines Wegsensors für eine Drehaktuatorvorrichtung anzugeben, mittels welchem eine genauere Positionierung bzw. Positionsbestimmung des Betätigungselementes (und damit auch des Gaswechselventils) gewährleistet wird. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, welches eine Vermessung bzw. Kalibrierung sowohl bei Betriebsphasen mit niedriger Brennkraftmaschinendrehzahl als auch bei Betriebsphasen mit hoher Brennkraftmaschinendrehzahl auf zuverlässige Weise gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Hierbei wird mindestens eine Zustandsgröße des Elektromotors ermittelt und mit einer hinterlegten Referenzgröße verglichen. Bei einer Abweichung zwischen der ermittelten Zustandsgröße und der mit dieser zu vergleichenden Referenzgröße über einen vorbestimmten Wert hinaus wird die hinterlegte Sollbahn anhand der der Elektromotor bzw. der Rotor des Elektromotors geregelt wird und/oder der durch den Wegsensor erfasste Wert, in Abhängigkeit von der Höhe der Abweichung der Zustandsgröße von dem Referenzwert, verändert.

Die Ermittlung der Zustandsgröße erfolgt bevorzugt durch Messung des entsprechenden Wertes. Alternativ kann die Zustandsgröße aber auch anhand eines hinterlegten Modells berechnet werden. Vorzugsweise wird als Zustandsgröße der Rotorwinkel, eine zeitliche Ableitung des Rotorwinkels, und/oder der Motorstrom des Elektromotors oder eine zu dem Motorstrom proportionale Größe (Motorleistung, Speisespannung des Elektromotors) ermittelt.

Die Veränderung der hinterlegten Sollbahn und/oder des erfassten Wegsensorwertes erfolgt bevorzugt durch Multiplikation der hinterlegten Sollbahnwerte bzw. Wegsensorwerte mit einem Korrekturfaktor und/oder durch Addition eines hinterlegten Offsetwertes. Korrekturfaktor und/oder Offsetwert werden im Folgenden als Korrekturwert bezeichnet. Der Korrekturwert wird in Abhängigkeit von der ermittelten Wegabweichung ermittelt. Die Ermittlung kann durch Auswahl aus einer hinterlegten abgespeicherten Tabelle oder durch online-Berechnung erfolgen. Bei einer hohen Wegabweichung (oberhalb einer vorbestimmten ersten Abweichungsschwelle), aufgrund welcher der Rotor beispielsweise in eine ungewollte Zwischenposition abzufallen droht, wird ein entsprechend hoher Korrekturwert zugeordnet, so dass bereits noch im selben Arbeitsspiel oder im unmittelbar nachfolgenden Arbeitsspiel des Rotors dieser anhand stark korrigierter Werte geregelt wird. Ein Abfallen des Rotors in die beschriebene Zwischenposition wird so wirksam verhindert. Bei einer geringeren Wegabweichung, bei deren Vorliegen kein Abfallen des Rotors droht, kann der zumindest eine überwachte und bei jedem oder jedem n-ten Arbeitsspiel ermittelte Zustandswert über eine Vielzahl von Arbeitsspielen gemittelt werden. Eine Zuordnung bzw. Ermittlung eines entsprechenden Korrekturfaktors erfolgt dann insbesondere anhand des gemittelten Korrekturfaktors. Als Arbeitsspiel im Sinne der Erfindung wird insbesondere der Öffnungs- oder Schließvorgang eines Gaswechselventils beziehungsweise der unmittelbar darauf zurückzuführende zugehörige Schwenkvorgang des Rotors des Elektromotors bezeichnet. Möglich ist auch eine Definition des Arbeitsspiels welches Schließ- und Öffnungsvorgang umfasst.

Da während des Schließvorgangs keine Gasgegendrücke zu berücksichtigen sind, findet das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise bei der Kalibrierung des Wegsensors während des Schließvorgangs des dem Wegsensor zugeordneten Gaswechselventils statt.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere zwei verschiedene Strategien zur Vermessung bzw. Kalibrierung des Drehaktuators. Eine erste Strategie besteht darin, kleinere Abweichungen des Rotors von der vorgegebenen Sollbahn anhand der er geregelt wird zu erfassen, über eine Mehrzahl von Arbeitsspielen zu mitteln und in Abhängigkeit von der gemittelten Abweichung eine Änderung der Sollbahn anhand der der Rotor dann zukünftig geregelt wird vorzunehmen und/oder die Wegsensorsignale derart zu verändern, dass ein entsprechend korrigierter Wegverlauf zukünftig aufgrund der veränderten Wegsensorsignale eingeregelt wird. Diese Strategie erstreckt sich zeitlich über mehrere Arbeitsspiele (langsamer Eingriff). Im Gegensatz dazu besteht die zweite Strategie darin, größeren Abweichungen mit einem schnellen Regeleingriff entgegenzuwirken. Dies geschieht, indem mittels einer entsprechenden Veränderung der Sollbahn und/oder der Wegsensorsignale die Regelung des Rotors bereits im selben oder im nächsten Arbeitsspiel anhand der veränderten Werte von Sollbahn und/oder Wegsensorsignalen erfolgt. Die beiden Strategien unterscheiden sich dabei jedoch weiter in den zu ergreifenden Maßnahmen, auf die im Zuge der nachfolgenden Figurenbeschreibung eingegangen wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1: die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine,

2a–c: veranschaulicht in drei unterschiedlichen Diagrammen die Zustandsgrößen Rotorwinkel, Rotorwinkelgeschwindigkeit und abgegebenes Drehmoment bzw. Stromaufnahme des Elektromotors, für den Fall, dass aufgrund eines Wegsensorfehlers kleineren Ausmaßes der Rotor sich über die Sollendposition hinaus bewegt,

3a–c: veranschaulicht in drei unterschiedlichen Diagrammen die Zustandsgrößen Rotorwinkel, Rotorwinkelgeschwindigkeit und abgegebenes Drehmoment bzw. Stromaufnahme des Elektromotors, für den Fall, dass aufgrund eines Wegsensorfehlers kleineren Ausmaßes der Rotor nicht die Sollendposition erreicht,

4a–c: die Zustandsgrößen gemäß 2a–c für den Fall, dass aufgrund eines Wegsensorfehlers größeren Ausmaßes der Rotor sich über die Sollendposition hinaus bewegt,

5a–c: die Zustandsgrößen gemäß 3a–c für den Fall, dass aufgrund eines Wegsensorfehlers größeren Ausmaßes der Rotor nicht die Sollendposition erreicht, und

6: zeigt den linearen Zusammenhang zwischen Wegsensor und Rotorwinkel im fehlerfreien und im fehlerbehafteten Fall.

1 zeigt die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die wesentlichen Bestandteile dieser Vorrichtung sind ein, insbesondere als Servomotor ausgebildeter Elektromotor 4 (Antriebseinrichtung), eine von diesem angetriebene, vorzugsweise zwei Nocken 6a, 6b unterschiedlichen Hubs aufweisende und drehfest mit der Rotorwelle verbundene Nockenwelle 6 (Betätigungselement), ein mit der Nockenwelle 6 einerseits und mit dem Gaswechselventil 2 andererseits in Wirkverbindung stehender Schlepphebel 8 (Übertragungselement) zur Bewegungsübertragung der durch die Nocken 6a, 6b vorgegebenen Hubhöhe auf das Gaswechselventil 2 sowie ein, das Gaswechselventil 2 in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagendes und als Schließfeder ausgebildetes erstes Energiespeichermittel 10 und ein, über die Nockenwelle 6 und den Schlepphebel 8 das Gaswechselventil 2 mit einer Öffnungskraft beaufschlagendes und als Öffnungsfeder ausgebildetes zweites Energiespeichermittel 12. Für die genaue Wirkungsweise und mechanische Ausgestaltung der Drehaktuatorvorrichtung wird auf die DE 102 52 991 A1 verwiesen, die inhaltlich bezüglich des Drehaktuatoraufbaus in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen wird.

Um einen möglichst energiearmen Betrieb des Elektromotors 4, der über die Nockenwelle 6 das vorhandene Gaswechselventil 2 antreibt, zu gewährleisten, wird neben der optimalen Auslegung der einander entgegenwirkenden Federn (Schließfeder 10, Öffnungsfeder 12) und der idealen Positionierung von Dreh- und Anlenkpunkten in der Geometrie der Vorrichtung selbst, der Elektromotor 4 über eine Steuer- und Regeleinrichtung 20 (im Folgenden Regeleinrichtung genannt) gemäß einer Sollbahn, die das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems abbildet geregelt. Insbesondere erfolgt diese Regelung durch Regelung des Rotorverlaufes des, das mindestens eine Betätigungselement 6, 6a, 6b antreibenden Elektromotors 4. Der ideale Wegverlauf des Rotors, der als Teil des Schwingungssystems mitschwingt, wird analog zum idealen Schwingungsverlauf des Gesamtsystems rechnerisch ermittelt und bildet die Sollbahn zur Regelung des Elektromotors 4. Zur Überwachung der Istposition des Rotors ist ein nicht dargestellter Wegsensor vorhanden, der ein Sensorsignal S an die Regelleinrichtung 20 oder eine andere Steuereinrichtung übermittelt. Der Elektromotor 4 wird derart durch die Regeleinrichtung 20 angesteuert, dass das zumindest eine Gaswechselventil 2 von einer ersten Ventilendlage E1, die beispielsweise der geschlossenen Ventilposition entspricht, in eine zweite Ventilendlage E2, E2', die beispielsweise einer teilweise (E2': Teilhub) oder maximal geöffneten (E2: Vollhub) Ventilposition entspricht, überführt wird und umgekehrt. Bei der Regelung des Elektromotors 4 wird der Rotor und damit das mit dem Rotor wirkverbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b in seiner Position entsprechend gesteuert, so dass der Rotor bzw. das Betätigungselement 6, 6a, 6b analog zur Schließposition E1 des Gaswechselventils 2 eine Position im Wegebereich des Nockengrundkreises, z.B. im Wegebereich zwischen R1 und R1' einnehmen wird und analog zur zweiten Endlage E2, E2' eine Position im Wegebereich des Nockens 6a, 6b, z.B. im Wegebereich zwischen R2 und R2' einnehmen wird. Das System ist idealerweise so ausgelegt, dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b bei Ausschluss (gezielte Nichtberücksichtigung) der Umgebungseinflüsse (insbesondere Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen R1–R2 (Vollhub) oder R1'–R2' (Teilhub) ohne Einspeisung zusätzlicher Energie, also ohne aktiven Antrieb durch die Antriebseinrichtung 4, zurücklegt und somit nur bei den in der Praxis auftretenden Umgebungseinflüssen unterstützend eingreift. Das System ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es in den Maximalendlagen R1, R2 des Rotors (Schwingungsendlagen bei maximalem Schwingungshub) sich jeweils in einer metastabilen momentenneutralen Position befindet, in der sich die auftretenden Kräfte in einem Kräftegleichgewicht befinden und in der der Rotor ohne Aufbringung einer zusätzlichen Haltekraft gehalten ist.

Im Besonderen ist in der ersten metastabilen und momentenneutralen Position R1 (in 1 dargestellt) das Gaswechselventil 2 geschlossen und somit die Schließfeder 10 unter Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt, während die Öffnungsfeder 12 maximal vorgespannt ist. Die Kraft der vorgespannten Öffnungsfeder 12 wird über ein ortsfestes Abstützelement 6c der Nockenwelle 6 auf diese übertragen und ist in der Position R1 genau durch den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und somit quasi neutralisiert. Auch die aufgrund der Rest-Vorspannung vorhandene Kraft der Schließfeder 10 wird in der beschriebenen Position neutralisiert, da diese über den Schlepphebel 8 ebenfalls in den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet ist.

In der nicht dargestellten zweiten metastabilen und momentenneutralen Position R2 wäre das Gaswechselventil 2 mit seinem Maximalhub gemäß dem Hauptnocken 6b geöffnet und die um das Gaswechselventil 2 herum angeordnete Schließfeder 10 maximal vorgespannt, während die Öffnungsfeder 12 unter Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt wäre. Die Anordnung der einzelnen Komponenten ist derart gewählt, dass wiederum die Kraft des maximal vorgespannten Federmittels (jetzt: Schließfeder 10) und des maximal entspannten Federmittels (jetzt: Öffnungsfeder 12) jeweils genau durch dem Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und somit in dieser Position quasi neutralisiert sind.

Eine dritte, ebenfalls nicht dargestellte, stabile und momentenneutrale Position R0 ist dann vorhanden, wenn das System einen sogenannten abgefallen Zustand einnimmt, in dem die Nockenwelle 6 eine Position zwischen den beiden ersten metastabilen und momentenneutralen Positionen R1, R2 einnimmt. Aus der abgefallenen Position kann das System lediglich mittels einem hohen Energieaufwand wieder herausgebracht werden, in dem beispielsweise durch ein Anschwingen oder Hochschwingen der Rotors die Nockenwelle 6 wieder in eine der beiden ersten metastabilen momentenneutralen Positionen R1, R2 überführt wird oder die Nockenwelle 6 zumindest bis zu einem Teilhub angeschwungen wird, bei dem ein regulärer Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung wieder möglich ist.

Analog zu den beschriebenen drei momentenneutralen Positionen R0, R1, R2 für den Betrieb der Vorrichtung mittels dem Hauptnocken 6b können weitere Positionen (nicht dargestellt) für einen sogenannten Minimalhubbetrieb bei Betätigung des zweiten Nocken 6a vorhanden sein. Für diese weiteren momentenneutralen Positionen gilt das gleiche, wie für die zuvor beschrieben momentenneutralen Positionen R0, R1, R2.

Bei dem berechneten idealen Ausschwingverhalten schwingt der Rotor also von einer Endposition E1, E1' in die andere Endposition E2, E2' allein aufgrund der in den Energiespeichermitteln 10, 12 gespeicherten Energie ohne Einspeisung einer zusätzlichen Energie, etwa durch den Elektromotor 4.

In dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage R1' zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2' schwingt (insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre das ideale Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche gleichbleibende Schwingung).

Für den Fall, dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt (insbesondere im Leerlauf bzw. bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre er jeweils in den Endlagen R1, R2 in einer momentenneutralen Position gehalten und müsste aus dieser Position jeweils durch Einbringung einer impulsartigen Anstoßenergie (Motorimpuls) wieder veranlasst werden die nächste Schwingung in die andere Endlage vorzunehmen (daher metastabile momentenneutrale Position).

Dadurch, dass die Sollbahnen für Vollhub und für Teilhub dem Ausschwingverhalten der Drehaktuatorvorrichtung ohne Reibungsverluste und ohne Gasgegendrücke entsprechen wird gewährleistet, dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste und der auftretenden Gasgegendrücke ansteuert. Da Reibungsverluste hauptsächlich bei hohen Rotordrehzahlen auftreten, muss der Elektromotor 4 bei hohen Drehzahlen die größte Leistung abgegeben. Da dies mit dem energieoptimalen Betriebspunkt des Elektromotors 4 zusammenfällt, kann durch die Regelung anhand idealisierter Sollbahnen des zu betreibenden Aktuatorsystems ein energiesparsamer Betrieb des selben gewährleistet werden.

In den 2 und 3 sind jeweils in drei unterschiedlichen Diagrammen a–c die Zustandsgrößen Rotorwinkel, Rotorwinkelgeschwindigkeit und abgegebenes Drehmoment bzw. Stromaufnahme des Elektromotors für den Fall kleinerer Wegsensorfehler dargestellt, während die 4 und 5 analog zu den 2 und 3 die Zustandsgrößen für den Fall größerer Wegsensorfehler zeigen. In den 25 sind die Sollwerte bzw. die aufgrund der Sollbahn zu erwartenden Werte jeweils als ununterbrochene Linien und die sich aufgrund einer Abweichung einstellenden Istwerte als gestrichelte Linien dargestellt.

Die 2a–c beschreiben den Fall, dass der Rotor des Elektromotors 4 aufgrund eines fehlerbehafteten Wegsensorsignals S (Fehler kleineren Ausmaßes – innerhalb eines vorbestimmten ersten Abweichungsbereichs bzw. unterhalb einer ersten Abweichungsschwelle) sich über die Sollendposition hinaus bewegt. Die Kalibrierung des Wegsensors erfolgt durch Auswertung der Zustandsgrößen des Elektromotors 4, vorzugsweise während der Schließphase PSchließ eines Gaswechselventils 2. Dabei ist der durch die Sollbahn vorgegebene Rotorsollwert in seiner Endposition durch R2; R2' (bzw. den zugehörigen Rotorwinkel RW(R2); RW(R2')) vorgegeben, wobei die Endposition genau im Grenzpunkt zwischen Öffnungsphase PÖffnung und Schließphase PSchließ erreicht sein sollte. Aufgrund eines vorliegenden fehlerbehafteten Wegsensorsignals S, welches bei Erreichen der gewünschten Rotorendlage bei R2; R2' (Soll-Rotorendlage) der Regeleinrichtung 20 suggeriert, das die Endlage noch nicht erreicht ist, wird zum Wendezeitpunkt WP der Rotorbewegung die erwartete Maximalgeschwindigkeit überschritten (Vergleich von der sich aufgrund der Regelung einstellenden Istbahn IB für den Rotorwinkelverlauf mit der vorgegebenen Sollbahn SB anhand der der Rotorwinkel aufgrund der (fehlerhaften) und bereits vor dem Wendezeitpunkt WP im Zeitbereich B1 eine erhöhte Motorstromaufnahme (bzw. Momentenabgabe) verzeichnet (2c). In Abhängigkeit von der Höhe der Abweichung von zumindest einer der beiden Zustandsgrößen (Rotorwinkelgeschwindigkeit, Motorstromaufnahme bzw. abgegebenes Elektromotormoment) zu dem jeweiligen Sollwert der Zustandsgröße wird ein Korrekturwert zum Ausgleich des vorliegenden Fehlers ermittelt. Hierfür wird die zu korrigierende Sollbahn und/oder der zu korrigierende Wegsensor(wert) mit einem Korrekturfaktor (Multiplikation) und/oder einem offset (Addition) beaufschlagt.

Analog zu den 2a-c ist in den 3a-c der Fall beschrieben, dass der Rotor des Elektromotors 4 aufgrund eines fehlerbehafteten Wegsensorsignals S (Fehler kleineren Ausmaßes – innerhalb eines vorbestimmten ersten Abweichungsbereichs) nicht die gewünschte Sollendposition erreicht. Aufgrund eines vorliegenden fehlerbehafteten Wegsensorsignals S wird der Regeleinrichtung 20 suggeriert, dass bereits vor Erreichen der gewünschten Rotorendlage bei R2; R2' (Soll-Rotorendlage) diese bereits erreicht ist (Vergleich von der sich aufgrund der Regelung einstellenden Istbahn IB für den Rotorwinkelverlauf mit der vorgegebenen Sollbahn SB anhand der der Rotorwinkel aufgrund der (fehlerhaften) Wegsensorsignale eingeregelt wurde). Zum Wendezeitpunkt WP der Rotorbewegung wird die erwartete Maximalgeschwindigkeit demgemäß nicht erreicht (3b) und bereits vor dem Wendezeitpunkt WP wird eine erhöhte Motorstromaufnahme (bzw. Momentenabgabe) verzeichnet (3c). In Abhängigkeit von der Höhe der Abweichung von zumindest einer der beiden Zustandsgrößen (Rotorwinkelgeschwindigkeit, Motorstromaufnahme bzw. abgegebenes Elektromotormoment) zu dem jeweiligen Sollwert der Zustandsgröße wird auch hier ein Korrekturwert zum Ausgleich des vorliegenden Fehlers ermittelt. Hierfür wird die zu korrigierende Sollbahn und/oder der zu korrigierende Wegsensor(wert) mit einem Korrekturfaktor (Multiplikation) und/oder einem offset (Addition) beaufschlagt.

Demnach wird im Falle der Unterschreitung des vorgegebenen Sollwertes innerhalb des vorbestimmten Bereichs, die Veränderung der Sollbahn SB und/oder des Wegsensorsignals S derart vorgenommen, dass während eines späteren Arbeitsspiels ein erhöhter Maximalhub des Gaswechselventils 2 (im Vergleich zum erreichten Maximalhub bei fehlerhaften Wegsensorsignalen gemäß Istbahn IB) erreicht wird, und das für den Fall, einer Überschreitung des Sollwertes die Veränderung der Sollbahn SB und/oder des Wegsensorsignals S derart vorgenommen wird, dass während eines späteren Arbeitsspiels ein verringerter Maximalhub des Gaswechselventils 2 erreicht wird. Hierdurch erfolgt im wesentlichen eine gezielte Verschiebung der regelungstechnisch definierten Endanschläge (und somit eine Einstellung des Maximalhubs) für den Rotor des Elektromotors.

Bei einer größeren Abweichung (Wegsensorfehler größeren Ausmaßes – außerhalb eines vorbestimmten zweiten Abweichungsbereichs bzw. überschreiten einer zweiten Abweichungsschwelle) wird durch einen schnellen Eingriff unmittelbar gegengesteuert (4a–c, 5a–c), indem mittels einem, der vorliegenden Abweichung zugeordneten Korrekturwert (Korrekturfaktor und/oder Offset) möglichst schon während des selben bzw. aktuellen Arbeistsspiels, spätestens aber im nächsten Arbeitsspiel des Rotors dieser anhand einer veränderten Sollbahn SB bzw. einem veränderten Wegsignal S eines neu kalibrierten Wegsensors geregelt wird. Hierbei wird infolge einer Abweichung zwischen der ermittelten Zustandsgröße und der Referenzgröße außerhalb eines vorbestimmten Bereichs eine Veränderung der Sollbahn SB und/oder des Wegsensorsignals S derart vorgenommen, dass der Rotor vorzugsweise noch im selben Arbeitsspiel anhand einer veränderten Sollbahn und/oder eines veränderten Wegsensorsignals geregelt wird und im folgenden Arbeitsspiel ( ohne Mitteln der Messgrößen über mehrere Arbeitsspiele) der maximale Hub verschoben wird. Insbesondere wird im Falle der Unterschreitung des Sollwertes außerhalb des vorbestimmten Bereichs die Veränderung der Sollbahn SB und/oder des Wegsensorsignals S derart vorgenommen, dass während des selben Arbeitsspiels ein frühzeitiger Schließvorgang des Gaswechselventils 2 erreicht wird und im folgenden Arbeitsspiel ( ohne Mitteln der Messgrößen über mehrere Arbeitsspiele) der maximale Hub erhöht und so ein späterer Schließzeitpunkt wieder eingestellt wird. Für den Fall, einer Überschreitung des Sollwertes außerhalb des vorbestimmten Bereichs erfolgt die Veränderung der Sollbahn SB und/oder des Wegsensorsignals S derart, dass während des selben Arbeitsspiels ein verzögerter Schließvorgang des Gaswechselventils 2 erreicht wird und im folgenden Arbeitsspiel ( ohne Mitteln der Messgrößen über mehrere Arbeitsspiele) der maximale Hub reduziert und wieder ein früherer Schließzeitpunkt eingestellt wird. Hierdurch erfolgt im wesentlichen eine schnelle Verschiebung der Schließsteuerkante der vorgegebenen Sollbahn SB.

6 zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem Signal S des Wegsensors (welches die Position des Rotors abbildet) und dem tatsächlich eingestellten Rotorwinkel RW des Elektromotors 4. Im fehlerfreien Idealfall stellt sich beispielsweise eine Kennlinie gemäß K1 mit Ursprung im Nullpunkt ein. Liegt nunmehr ein fehlerbehaftetes Wegsensorsignal S vor, stellt sich in der Regel eine Kennlinie/Gerade gemäß K2 oder K3 ein, die jeweils um einen Punkt auf der fehlerfreien Geraden verdreht ist. Wie bereits vorstehend erläutert kann durch rechnerische Korrektur – beispielsweise, durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor und Addition eines offset (allg.: Sensor_korrektur = Sensor_ist × Korrekturfaktor + offset) – jede fehlerbehaftete Kennlinie wieder in eine fehlerfreie Kennlinie überführt werden. Anhand der korrigierten Kennlinie kann der Wegsensor wieder fehlerfreie Signale an die Regeleinrichtung 20 liefern. Alternativ zur Korrektur der Wegsensorsignale S kann auch die Sollbahn SB für die Regelung des Rotors angepasst oder beide Korrekturmöglichkeiten zu Teilen durchgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine,

    wobei die Drehaktuatorvorrichtung umfasst:

    – einen steuerbaren Elektromotor (4) mit einem Betätigungselement (6, 6a, 6b) zum Betätigen des Gaswechselventils (2),

    – zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (10, 12),

    – eine Steuer- und Regeleinrichtung (20), die den Elektromotor (4) hinsichtlich seines Rotorwinkels gemäß einer hinterlegten Sollbahn (SB) ansteuert derart, dass der Rotor des Elektromotors (4) von einer ersten Endlage (R1; R1') in eine zweite Endlage (R2; R2') überführt wird und umgekehrt,

    – und einen Wegsensor zur Erfassung der Rotorposition,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – mindestens eine Zustandsgröße des Elektromotors (4) ermittelt wird,

    – die mindestens eine Zustandsgröße mit einer Referenzgröße verglichen wird,

    – und bei Abweichung zwischen den zu vergleichenden Größen die hinterlegte Sollbahn (SB) und/oder das erfasste Wegsensorsignal (S) in Abhängigkeit von der Zustandsgröße verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgröße für den Elektromotor (4) der Rotorwinkel (RW) oder eine zeitliche Ableitung des Rotorwinkels (RW) und/oder die Stromaufnahme oder die Speisespannung des Elektromotors (4) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Sollbahn (SB) und/oder die Anpassung des erfassten Wegsensorsignals (S) durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor erfolgt.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Sollbahn (SB) und/oder die Anpassung des erfassten Wegsensorsignals (S) durch Addition eines Offsetwertes erfolgt.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des Wegsensors während des Schließvorgangs des dem Wegsensor zugeordneten Gaswechselventils (2) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, bei einer Abweichung zwischen der ermittelten Zustandsgröße und der Referenzgröße außerhalb eines vorbestimmten Bereichs eine Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals (S) derart erfolgt, dass der Rotor beim unmittelbar nachfolgenden Arbeitsspiel anhand einer veränderten Sollbahn und/oder eines veränderten Wegsensorsignals geregelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Unterschreitung des Sollwertes außerhalb des vorbestimmten Bereichs die Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals (S) derart erfolgt, dass während des selben Arbeitsspiels ein frühzeitiger Schließvorgang des Gaswechselventils (2) erreicht wird, und das für den Fall, einer Überschreitung des Sollwertes außerhalb des vorbestimmten Bereichs die Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals (S) derart erfolgt, dass während des selben Arbeitsspiels ein verzögerter Schließvorgang des Gaswechselventils (2) erreicht wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung zwischen der ermittelten Zustandsgröße und der Referenzgröße innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eine Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorwertes derart erfolgt, dass der Rotor nach einer Mehrzahl von Arbeitsspielen anhand einer veränderten Sollbahn und/oder eines veränderten Wegsensorsignals geregelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Unterschreitung des Sollwertes innerhalb des vorbestimmten Bereichs die Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals (S) derart erfolgt, dass während eines späteren Arbeitsspiels ein erhöhter Maximalhub des Gaswechselventils (2) erreicht wird, und das für den Fall, einer Überschreitung des Sollwertes die Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals (S) derart erfolgt, dass während eines späteren Arbeitsspiels ein verringerter Maximalhub des Gaswechselventils (2) erreicht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die Mehrzahl der Arbeitsspiele die ermittelte Zustandsgröße gemittelt wird und anhand der gemittelten Zustandsgröße eine Veränderung der Sollbahn (SB) und/oder des Wegsensorsignals erfolgt.
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