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Dokumentenidentifikation DE19850687B4 08.11.2007
Titel Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Reif, Konrad, Dr., 85764 Oberschleißheim, DE
DE-Anmeldedatum 03.11.1998
DE-Aktenzeichen 19850687
Offenlegungstag 04.05.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01L 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei die an zumindest einer der beiden Elektromagnet-Spulen angelegte elektrische Spannung unter Rückgriff auf Meßwerte für die aktuell festgestellte Anker-Position sowie für den in dieser Spule festgestellten Stromfluß im Hinblick auf eine gewünschte Anker-Bewegung von einer Regeleinheit gezielt eingestellt wird, wozu aus diesen festgestellten Meßwerten über einen sogenannten Beobachter unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte zumindest für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers ermittelt werden.

Aus der DE 196 51 846 A1 ist ein Verfahren zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils an einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei dem ein mit dem Gaswechselventil in Verbindung stehender Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern von den Magnetfeldern zweier im Abstand zueinander angeordneten, in ihrer Bestromung steuerbaren Elektromagneten hin und her bewegt wird. Dabei wird wenigstens eines der Magnetfelder so ausgerichtet und die Bestromung des zugehörigen Elektromagneten jeweils so gesteuert, dass jeweils in wenigstens einer Endstellung (Schließstellung oder Öffnungsstellung) des Gaswechselventils der Anker ohne Berührung mit einer Polfläche des entsprechend haltenden Elektromagneten gegen die Kraft der zughörigen Rückstellfeder gehalten wird.

Zum technischen Umfeld wird ferner neben der DE 195 30 121 A1 insbesondere auf die nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen DE 198 32 198 A1 und DE 198 34 548 A1 verwiesen. Dabei baut die vorliegende Patentanmeldung inhaltlich vollständig auf dem in den beiden letztgenannten deutschen Patentanmeldungen beschriebenen Sachverhalt bzw. Gegenstand auf. In der vorliegenden Patentanmeldung wird daher der technologische Hintergrund nicht ausführlich erläutert, vielmehr werden in diesem Zusammenhang die gleichen Begriffe wie in den genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen verwendet.

Kurz zusammengefaßt betrifft die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 198 32 198.8 ein Regelungsverfahren für die Endphasen-Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechselventiles einer Brennkraftmaschine. Dabei wird mit einer Annäherung des Ankers an die ihn einfangende Spule die an letzterer angelegte elektrische Spannung geregelt reduziert, wobei eine elektronische hier sog. Aktuator-Regeleinheit auch Signale von einem sogenannten Beobachter empfängt und verarbeitet, die neben der Position des Ankers dessen aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit sowie dessen aktuelle Beschleunigung wiedergeben, um diesen Regelungsprozess wie gewünscht durchführen zu können. In der letztgenannten deutschen Patentanmeldung 198 34 548.8 ist dabei der Beobachter als ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung beschrieben, welches neben den genannten festgestellten Meßwerten zusätzlich die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung verarbeitet.

Mit Hilfe des oder der vorbeschriebenen Verfahren kann jedoch nicht nur der sog. Einfangvorgang, d.h. die Annäherung des Ankers an die ihn aktuell einfangende Spule bspw. im Hinblick auf die Geräuschentwicklung beim Auftreffen des Ankers auf das Spulen-Joch optimiert werden, sondern es ist mit diesem Verfahren grundsätzlich eine im wesentlichen vollständige Bewegungssteuerung des Ankers zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen möglich. Mit Hilfe der elektronischen Regeleinheit kann der Anker entsprechend irgendwelcher Vorgaben grundsätzlich derart gezielt bewegt bzw. positioniert werden, daß im bevorzugten Anwendungsfall, nämlich für die Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, nahezu jeder beliebige Ventilhub-Verlauf einstellbar ist, d.h. über der Zeit betrachtet kann das Gaswechsel-Hubventil (zumindest theoretisch) in nahezu beliebiger Weise geöffnet werden.

Insbesondere im Hinblick hierauf an einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Tatsache, daß der Anker am Joch der ihn aktuell einfangenden Elektromagnet-Spule anliegt, in der Regeleinheit mit verarbeitet und aus der Erfüllung zumindest der beiden folgenden Bedingungen erkannt wird: zAufl,min ≤ z ≤ zAufl,max(I) vAufl,min ≤ v ≤ vAufl,max(II) wobei zAufl,min bzw. zAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Position und vAufl,min bzw. vAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Bewegungsgeschwindigkeit jeweils beim definitionsgemäßen Anliegen am Spulen-Joch ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird in der elektronischen Regeleinheit nunmehr mitberücksichtigt (und zumindest für einige der weiteren Arbeits- bzw. Rechenschritte mitverarbeitet), daß der Anker in seinen jeweiligen Endpositionen des oszillierenden Bewegungsablaufes an der ihn aktuell einfangenden Spule bzw. am Joch derselben anliegt. Nun ist es aber durchaus möglich, daß der Anker trotz Anwendung des in den eingangs genannten deutschen Patentanmeldungen beschriebenen Regelungs-Verfahrens immer noch mit einer derartigen Geschwindigkeit auf das Spulen-Joch auftrifft, daß er geringfügig von diesem abprallt und somit danach (zumindest infinitesimal) kurzzeitig wieder von dieser ihn aktuell einfangenden Spule beabstandet ist. Es muß somit ein ausreichend exaktes Kriterium gefunden werden, dessen Erfüllung gleichbedeutend damit ist, daß der Anker tatsächlich am Joch anliegt. Dieser letztgenannte Zustand soll nun und nur dann vorliegen, wenn sowohl die Anker-Position in etwa einen Wert hat, der dem Anschlag am Spulen-Joch entspricht, als auch wenn sich der Anker zumindest näherungsweise nicht mehr bewegt.

Das genannte Kriterium liegt also in der Erfüllung der zwei genannten Bedingungen, bzw. hieraus ergibt sich ein Algorithmus zur sog. Anlageerkennung, der aus den folgenden zwei Abfragen besteht:

Erstens erfolgt die Überprüfung der Anker-Position, die in der folgenden Gleichung mit der Ortskoordinate z bezeichnet wird, und die im Falle eines Anliegens des Ankers am Spulen-Joch die folgende erste Bedingung erfüllen muß: zAufl,min ≤ z ≤ zAufl,max, wobei zAufl,min bzw. zAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Position ist.

Zweitens erfolgt die Überprüfung der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers, die (von der Nomenklatur in den eingangs genannten, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen geringfügig abweichend) in der folgenden Gleichung mit dem Buchstaben „v" bezeichnet wird, und die im Falle eines Anliegens des Ankers am Spulen-Joch die folgende zweite Bedingung erfüllen muß: vAufl,min ≤ v ≤ vAufl,max wobei vAufl,min bzw. vAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Bewegungsgeschwindigkeit jeweils beim definitionsgemäßen Anliegen desselben am Spulen-Joch ist.

Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das im sog. Beobachter (hierbei handelt es sich um einen „Zustands-Schätzer") enthaltene Aktuator-Modell aus einem in Form eines Feder-Masse-Schwingers ausgebildeten mechanischen Teil und einem entsprechend einer Linearisierung entlang einer Solltrajektorie implementierten elektromagnetischen Teil besteht. Wie in den eingangs genannten, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen auch besteht der Beobachter also aus einem Modell des Systemes, dessen Zustände (nämlich der Hub, die Geschwindigkeit sowie ggf. die Beschleunigung) geschätzt werden sollen, und einer geeigneten Einspeisung bzw. Rückführung der Meßgrößen. Dabei besteht das Modell des Aktuators wie auch der Aktuator selbst aus einem mechanischem Teil (nämlich einem Feder-Masse-Schwinger) und einem elektromagnetischen Teil, der hochgradig nichtlinear ist. Letztgenannter kann zwar grundsätzlich mit Hilfe von Kennfeldern implementiert werden, jedoch treten bei der Interpolation von Kennfeldern hohe Rechenzeiten auf. Daher soll nunmehr das elektromagnetische Teil-System des Aktuators entsprechend einer Linearisierung entlang einer Solltrajektorie – (eine Linearisierung entlang einer Solltrajektorie ist eine dem Fachmann bekannte Standardprozedur in der Regelungstechnik) – implementiert werden. Dadurch ist es möglich, ausschließlich mit Tabellen zu arbeiten, die zu jedem Zeitschritt ausgelesen werden. Eine erhebliche Einsparung von Rechenzeit ist die Folge.

Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß die Regeleinheit und der Beobachter basierend auf einer Methode der robusten Entwürfe, insbesondere auf einem H-Entwurf basierend, arbeiten. In entsprechender Weise soll also die Einspeisung der Meßgrößen in die Regeleinheit bzw. in den Beobachter erfolgen. Auf diese Weise wird nämlich die Empfindlichkeit gegenüber Störungen gering gehalten. Tatsächlich ist es nämlich so, daß sowohl in der Regeleinheit als auch im Beobachter ein zunächst idealisiertes mathematisches Modell des Aktuators ohne irgendwelche Störungen zugrunde gelegt ist. Dies setzt jedoch voraus, daß sich die Dynamik des Aktuators in einer solchen Form genügend genau mathematisch darstellen läßt. Weiterhin müssen sich die Parameter und Funktionen, durch die die Aktuatordynamik charakterisiert wird, durch einen Modellabgleich genügend genau bestimmen lassen und es dürfen keine unbekannten Störsignale vorhanden sein. Insbesondere die letztgenannte Voraussetzung ist jedoch in der Praxis häufig nicht gegeben, da viele Einflußgrößen nicht genau bekannt sind und die Meßwerte, die von Sensoren erfaßt werden (so bspw. die Position des Ankers) mit gewissen Fehlern behaftet sind. Diese Fehler können stochastischer Natur sein (in Form von Rauschen) oder auch aus systematischen Abweichungen bestehen.

Um nun die letztgenannten Nachteile zu beheben wird vorgeschlagen, die Entwürfe der Regeleinheit und des Beobachter in einer solchen Weise durchzuführen, daß Störungen und eine gewisse Unkenntnis der genauen Eigenschaften des Aktuators in Kauf genommen werden können. Derartige Entwürfe werden in der Regelungstechnik robuste Entwürfe genannt. Dabei können verschiedene Entwurfsmethoden angewandt werden, besonders gut geeignet ist jedoch der im folgenden genauer beschriebene H-Entwurf.

Bei einem H-Entwurf erfolgt die Auslegung eines Reglers (= Regeleinheit) oder Filters derart, daß bestimmte Störsignale im ungünstigsten Fall höchstens mit einem bestimmten Faktor verstärkt werden. Dieser Verstärkungsfaktor ist normalerweise sehr klein und entspricht daher eher einer Dämpfung als einer Verstärkung. Beim Entwurf des H-Reglers oder -Filters wird der Verstärkungsfaktor minimiert oder zumindest genügend klein gemacht. Der Beitrag vom Störsignal zum Nutzsignal ist dann sehr klein bzw. ein Störsignal wird dann aus dem Nutzsignal näherungsweise herausgefiltert. Dadurch läßt sich der Einfluß von Rauschen und von systematischen Abweichungen möglichst klein halten.

Im übrigen wurde noch erkannt, daß die Meßgröße bzw. der mit dem Buchstaben „I" bezeichnete Meßwert des in der jeweiligen Elektromagnet-Spule festgestellten Stromflusses in sehr nichtlinearem Maße von der Position, der Geschwindigkeit sowie der Beschleunigung des Ankers abhängt, so daß eine vollständige rechnerische Auswertung dieses Stromflusses insbesondere für den im Beobachter durchgeführten Schätzvorgang sehr aufwendig werden kann und unter Echtzeitbedingungen ggf. nicht vollständig durchgeführt werden kann. Eine Abhilfemaßnahme hierfür liegt darin, daß die Einspeisung des Stromfluß-Meßwertes jeweils erst gegen Ende der Regelphase der Anker-Bewegung kurz vor dem Auftreffen desselben auf dem Spulen-Joch erfolgt, jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von der vorliegenden Beschreibung gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird,

und wobei die an zumindest einer der beiden Elektromagnet-Spulen angelegte elektrische Spannung unter Rückgriff auf Messwerte für die aktuell festgestellte Anker-Position (z) sowie für den in dieser Spule festgestellten Stromfluss (I) im Hinblick auf eine gewünschte Anker-Bewegung von einer Regeleinheit gezielt eingestellt wird,

wozu aus diesen festgestellten Messwerten (z, I) über einen sogenannten Beobachter unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für mindestens einen Zustandsparameter des Ankers ermittelt werden,

dadurch gekennzeichnet,

dass durch den Beobachter Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit (v) bestimmt werden und dass die Tatsache, dass der Anker am Joch der ihn aktuell einfangenden Elektromagnet-Spule anliegt, in der Regeleinheit mit verarbeitet und aus der Erfüllung zumindest der beiden folgenden Bedingungen erkannt wird: zAufl,min ≤ z ≤ zAufl,max(I) vAufl,min ≤ v ≤ vAufl,max(II), wobei zAufl,min bzw. zAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Position

und vAufl,min bzw. vAufl,max ein minimaler bzw. maximaler Schwellwert für die Anker-Bewegungsgeschwindigkeit jeweils beim definitionsgemäßen Anliegen am Spulen-Joch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Beobachter enthaltene Aktuator-Modell aus einem in Form eines Feder-Masse-Schwingers ausgebildeten mechanischen Teil und einem entsprechend einer Linearisierung entlang einer Solltrajektorie implementierten elektromagnetischen Teil besteht. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit und der Beobachter basierend auf einer Methode der robusten Entwürfe, insbesondere auf einem H-Entwurf basierend, arbeiten.






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