PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19834548B4 29.11.2007
Titel Verfahren zur Bewegungssteuerung für einen Anker eines elektromagnetischen Aktuators
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Reif, Konrad, Dr.-Ing., 85764 Oberschleißheim, DE
DE-Anmeldedatum 31.07.1998
DE-Aktenzeichen 19834548
Offenlegungstag 03.02.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
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 mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung unter Rückgriff auf Meßwerte für die aktuell festgestellte Anker-Position sowie für den in der einfangenden Spule festgestellten Stromfluß geregelt reduziert wird, wozu aus diesen festgestellten Meßwerten über einen sogenannten Beobachter unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung ermittelt werden.

Aus der DE 195 44 207 A1 ist ein Verfahren zur modellbasierten Messung und Regelung von Bewegungen an elektromagnetischen Aktuatoren bekannt. Hierbei wird unter anderem erläutert, die Ankergeschwindigkeit des Aktuators entsprechend einer Sollkurvenvorgabe einzustellen, um auf diese Weise eine Verringerung des Kontaktprellens zu erzielen.

Aus der DE 196 15 542 A1 ist eine Motorlastbestimmungseinrichtung bekannt, die einen Kalman-Filter aufweist.

Zum technischen Umfeld wird ferner neben der DE 195 30 121 A1 insbesondere auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 198 32 198 A1verwiesen. Dabei baut die vorliegende Patentanmeldung inhaltlich vollständig auf dem in der deutschen Patentanmeldung 198 32 198.8 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 der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 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.

Die für die genannte Regelung benötigten Werte für den Hub bzw. Position sowie für die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers können dabei nicht alle mit Hilfe geeigneter Sensoren erfaßt werden, weil die Kosten für derartige Sensoren für eine Großserienausführung des Aktuators zu hoch sind und es aufgrund des beschränkten Bauraumes (bspw. in einer Brennkraftmaschine) nicht möglich ist, derartige Sensoren sowie die benötigten Stromversorgungs- und Steuerleitungen zwischen diesem Aktuator und der elektronischen Aktuator-Regeleinheit unterzubringen. Tatsächlich gemessen wird demzufolge lediglich der Hub, d.h. die aktuelle Position des Ankers im Aktuator. Aus diesem Hubsignal könnten theoretisch durch zeitliches Differenzieren die Werte für die Anker-Geschwindigkeit sowie die Anker-Beschleunigung abgeleitet werden, jedoch ist dies in der Praxis nicht durchführbar, weil die so gewonnenen Signale mit starkem Rauschen behaftet sind oder einen starken zeitlichen Verzug aufweisen.

Ebenfalls in der genannten nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 198 32 198 A1 wird daher vorgeschlagen, im Beobachter ein mathematisches Modell zu implementieren, welches aus den tatsächlich vorhandenen Meßwerten, nämlich der Anker-Position und dem Stromfluß in der einfangenden Spule Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung ermittelt.

Einen vorteilhaften derartigen Beobachter aufzuzeigen bzw. einen solchen Beobachter in der Weise weiterzubilden, daß mit diesem diese Schätzwerte schnell und möglichst sicher ermittelt werden können, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachter als ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung ausgeführt ist, welches neben den genannten festgestellten Meßwerten (nämlich Anker-Position und Stromfluß in der einfangenden Spule) zusätzlich die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung U verarbeitet.

Die gewünschten Größen, nämlich die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Ankers soll somit mit Hilfe eines erweiterten Kalman-Filters auf der Basis eines Aktuatormodells aus den vorhandenen (festgestellten) Meßwerten errechnet werden. Dabei ist dem Fachmann für Regelungstechnik ein Kalman-Filter grundsätzlich bekannt; für den vorliegenden Anwendungsfall wird dabei ein erweitertes Kalman-Filter vorgeschlagen, weil es sich beim zugrundeliegenden System um ein nichtlineares System handelt, während ein einfaches Kalman-Filter nur für lineare Systeme geeignet ist.

Für den Entwurf des erweiterten Kalman-Filters wird somit ein physikalisches Modell des Aktuators zugrunde gelegt, welches aus einem mechanischen Teil und einem elektrischen Teil besteht. Der mechanische Teil des Modells besteht aus einem Feder-Masse-Dämpfer-System und kann dementsprechend leicht über eine Differentialgleichung 2. Ordnung dargestellt werden. Der elektrische Teil des Modells besteht aus einer elektrischen Spule, gewickelt um ein ferromagnetisches Joch, und einem Anker, so daß die Spule eine hubabhängige und magnetflußabhängige Induktivität besitzt. Hierdurch wird – wie bereits angedeutet – das System in einem hohen Maße nichtlinear.

Die Modellbildung und Implementation des nichtlinearen elektrischen Teils geschieht bevorzugt über Kennfelder und/oder Tabellen. Für den Entwurf des erweiterten Kalman-Filters werden zusätzlich zum Modell auch noch Ableitungen (sog. Jacobi-Matrizen) von den Modell- und Ausgangsgleichungen für die Meßwerte benötigt, die entweder analytisch oder numerisch bestimmt werden müssen. Bei dem Entwurf des Kalman-Filters wird dann die sog. Kalman-Verstärkung berechnet. Dies hat derart zu erfolgen, daß eine entsprechende Einspeisung der Meßwerte für die Anker-Position sowie für den Spulen-Strom in den Beobachter zu einer Konvergenz der hierin ermittelten Schätzwerte gegen die tatsächlichen Werte von Anker-Geschwindigkeit und Anker-Beschleunigung oder zumindest zu einem genügend kleinen Schätzfehler führt. Dies hat bei extrem kurzer Rechenzeit zu erfolgen und wird dadurch sichergestellt, daß neben den Meßwerten für Anker-Position und Spulen-Strom zusätzlich die Größe der an die einfangende Spule angelegten elektrischen Spannung verarbeitet wird.

Grundsätzlich kann die Kalman-Verstärkung selbst als Funktion der Schätzwerte oder als Funktion der Zeit (hierbei handelt es sich um ein linearisiertes Kalman-Filter) dargestellt werden. Besonders schnell errechenbar ist die gewünschte Abschätzung im Beobachter jedoch dann, wenn das Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung arbeitet, wenn es sich also um ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung handelt.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, wobei in der beigefügten einzigen Figur neben einem Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Beobachters das den im folgenden erläuterten Zusammenhängen zugrunde gelegte mathematische Modell des elektromagnetischen Aktuators dargestellt ist.

Dabei werden zunächst die in dieser Beschreibung durchgängig verwendeten Bezeichnungen für die einzelnen physikalischen bzw. allgemein relevanten Größen definiert:

  • z: (Wegkoordinate der) Anker-Position
  • z. = v: Geschwindigkeit des Ankers
  • z.. : Beschleunigung des Ankers
  • U: elektrische Spannung an der den Anker einfangenden Spule
  • I: elektrischer Strom in der den Anker einfangenden Spule
  • m: Masse des durch den Aktuator gebildeten Feder-Masse-Schwingers
  • &ohgr;: Eigenfrequenz dieses Feder-Masse-Schwingers
  • d: Dämpfungskonstante dieses Feder-Masse-Schwingers
  • Fmag: Magnetkraft der aktiven Magnet-Spule
  • &PHgr;: magnetischer Fluß in der aktiven Magnet-Spule
  • &THgr;: Hiermit wird allgemein eine physikalische Größe bezeichnet, die den Zustand der aktiven Magnetspule eindeutig charakterisiert, so bspw. die Magnetkraft Fmag, oder der Strom I oder der magnetische Fluß &PHgr;

Sowohl der Strom I = I(&THgr;, z) als auch die magnetische Kraft Fmag sind dabei jeweils nichtlineare Funktionen des magnetischen Flusses &PHgr; und der Wegkoordinate z, die im allgemeinen numerisch bestimmt werden und in der elektronischen Aktuator-Regeleinheit als Kennfeld abgelegt werden können.

Weiterhin werden in dieser Beschreibung noch die folgenden Bezugsziffern und Bezeichnungen verwendet:

  • 1: Beobachter (bzw. Blockschaltbild hiervon)
  • 2: Aktuator-Modell (bzw. Blockschaltbild hiervon)
  • 2': Abbild von 2
  • (A)-(E) Zustandsgleichungen
  • f, g, h: unterschiedliche mathematische Funktionen
  • x: Vektor zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes, hier: x = [&THgr;, v, z]
  • x^ : Schätzwert für x, vom Beobachter ermittelt
  • y: Vektor der festgestellten Meßwerte: y = [z, I]
  • K: konstante Verstärkung des als Beobachter 1 zum Einsatz kommenden Kalman-Filters

Um nun den für die Regelung der Ankerbewegung im elektromagnetischen Aktuator wie eingangs erläutert erforderlichen Beobachter entwickeln zu können, wird ein mathematisches Modell dieses Aktuators benötigt, welches im folgenden genauer erläutert wird. Dieses mathematische Modell soll im Hinblick auf eine Implementation in der elektronischen Aktuatuor-Regeleinheit möglichst einfach sein und einen möglichst geringen Rechenaufwand erfordern.

Da mit der genannten elektronischen Aktuatuor-Regeleinheit lediglich die Anfangspphase und/oder die Endphase der Ankerbewegung geregelt werden soll, muß auch nur der Einfluß der den Anker aktuell Ioslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule berücksichtigt werden. Der Einfluß der dieser Ioslassenden bzw. einfangenden Magnet-Spule gegenüberliegende Magnet-Spule, welche den Anker vor der aktuell zu regelnden Ankerbewegung festgehalten hatte, kann somit vernachlässigt werden, da der magnetische Fluß hierin zum aktuellen Regelungszeitpunkt noch nicht aufgebaut bzw. nahezu vollständig abgebaut ist.

Aufbauend auf dieser Erkenntnis läßt sich der gesamte Aktuator somit bspw. durch das folgende Gleichungssystem beschreiben, wobei diese Gleichungen im weiteren auch als Zustandsgleichungen des Aktuators bezeichnet werden: &THgr;. = g(z, z., &THgr;)(A) v. = 1m·Fmag·(&PHgr;, z) – d·v – &ohgr;2·z(B) z. = v(C)

Dabei ergibt sich die genaue Form der mathematischen Funktion g in der Zustandsgleichung (A) aus der individuellen Wahl der Größe &THgr; und den detaillierten physikalischen Eigenschaften des elektromagnetischen Aktuators. Diese mathematische Funktion g wird in der Regel durch numerische Berechnungen bestimmt und kann in der elektronischen Aktuator-Regeleinheit in Form von Kennfeldern oder Tabellen abgelegt sein.

Bei der Formulierung dieser Zustandsgleichungen (A), (B), (C) ist es im übrigen nicht zwingend notwendig, die hier angegebene Form zu wählen. Diese wird im folgenden nur als repräsentatives Beispiel für eine Darstellung mit Zustands-Differentialgleichungen benutzt, um die Funktion sowie die Implementation und die Arbeitsweise des hier als erweitertes Kalman-Filter ausgeführten Beobachters zur Schätzung der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung z.. des Ankers zu erläutern.

Die hier gewählten Variablen &THgr;, v, z zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes werden dann zu einem hier drei Komponenten besitzenden Vektor x zusammengefaßt.

Kürzt man weiterhin die rechte Seite der Zustandsgleichungen (A), (B), (C) mit f(x, U) ab und faßt die festgestellten Meßwerte I und z zu einem Vektor y = h(x) zusammen, so erhält man die folgende abgekürzte Darstellung der Zustandsgleichungen: x. = f(x, U)(D) y = h(x)(E)

Das sich damit ergebende Blockschaltbild des mathematischen Aktuator-Modelles ist in der beigefügten Figur mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet. Wie ersichtlich besitzt dieses mathematische Aktuatormodell (im weiteren ebenfalls mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet) eine einzige variable Eingangsgröße, nämlich die an die aktive Magnet-Spule angelegte Spannung U. Die einzige Ausgangsgröße dieses Aktuatormodelles 2 ist der Vektor y, d.h. die am realen Aktuator auch tatsächlich feststellbaren Meßwerte I und z.

In der elektronischen Aktuator-Steuereinheit ist dieses mathematische Aktuatormodell 2 so wie hier dargestellt selbstverständlich nicht implementiert, da hier der Aktuator, der durch dieses Aktuatormodell 2 wiedergegeben wird, in der Realität vorhanden ist. Implementiert ist in der Aktuator-Steuereinheit vielmehr ein (in der beigefügten Figur mit der Bezugsziffer 1 bezeichneter) Beobachter 1, der anhand dieses Aktuatormodelles 2 aus der an die reale aktive Magnet-Spule angelegten Spannung U einen Schätzwert x^ für den Vektor x ermittelt.

Damit der Beobachter 1 diese Funktion erfüllen kann, ist in diesem Beobachter 1 ein Abbild 2' dieses mathematischen Aktuatormodelles 2 implementiert. Dabei ist dieser Beobachter 1 wie dargestellt als ein erweitertes Kalman-Filter mit einer konstanten Verstärkung K ausgebildet, welches neben den bereits genannten festgestellten Meßwerten z, I die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung U verarbeitet.

Wie aus dem in der beigefügten Figur dargestellten Blockschaltbild ersichtlich wird, erhält dieser Beobachter 1 ein erstes Eingangssignal in Form der an den tatsächlichen Aktuator (hier repräsentiert durch das Aktuatormodell 2) angelegten Spannung U und ferner ein zweites Eingangssignal in Form des am tatsächlichen Aktuator (hier repräsentiert durch das Aktuatormodell 2) festzustellenden Meßwert-Vektors y = [z, I].

Das einzige Ausgangssignal dieses Beobachters 1 ist dann (wie gewünscht) der Schätzwert

für den Vektor x zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes.

Dieses Blockschaltbild des Beobachters 1 ist soweit selbst erklärend, so daß im folgenden lediglich noch die Entwurfsgleichungen (ebenfalls in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispieles) für das erweiterte Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung angegeben werden:

Für den Schätzwert x^ gilt die folgende Differentialgleichung:

Ferner ist die folgende algebraische Riccati-Gleichung zu lösen: (M + &agr;L)P + P(MT + &agr;L) – PNTR–1NP + Q = 0, mit der Linearisierung: M = ∂f/∂x( x , U ) und N = ∂h/∂x( x ).

Dabei bezeichnen x , U konstante Werte der Zustands- bzw. Eingangsgrößen, an denen diese Linearisierung berechnet wird.

Die Größen M, N, L, K, P, Q, R sind Matrizen, wobei Q und R als beliebige positive Matrizen gewählt werden können und L die Einheitsmatrix bezeichnet. M und N sind Jacobi-Matrizen und werden über die partiellen Ableitungen von f und h nach x berechnet. &agr; ≥ 0 ist eine nichtnegative reelle Konstante. Das hochgestellte „T" bedeutet Matrixtransposition, das hochgestellte „–1" Matrixinversion.

Hiermit ergibt sich dann die Kalman-Verstärkung K wie folgt: K = PNTR–1.

Insgesamt liegen die Vorteile des hier dargestellten Verfahrens in einer genauen und insbesondere schnellen Schätzung der für die eingangs genannte Regelung zur Bewegungssteuerung eine Aktuator-Ankers erforderlichen physikalischen Größen. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details der vorliegenden Beschreibung durchaus abweichend hiervon gestaltet sein, ohne den Inhalt des Patentanspruches 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 mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung (U) unter Rückgriff auf Meßwerte für die aktuell festgestellte Anker-Position (z) sowie für den in der einfangenden Spule festgestellten Stromfluß (I) geregelt reduziert wird,

wozu aus diesen festgestellten Meßwerten (z, I) über einen sogenannten Beobachter (1) unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit (z. ) des Ankers sowie für die Anker-Beschleunigung (z.. ) ermittelt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachter (1) als ein erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung (K) ausgeführt ist, welches neben den genannten festgestellten Meßwerten (z, I) zusätzlich die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung (U) verarbeitet.






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

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

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