DE10012988A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktors - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen AktorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Brennkraftmaschine, mit einem Anker, der oszillierend zwischen zwei Elektromagnetspulen 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 Spannung reduziert wird. DOLLAR A Zur Vermeidung von unnötigen Verlusten wird vorgeschlagen, einen Spannungsverlauf zu wählen, bei dem ein mit einem mathematischen Modell berechneter Wirbelstrom in dem Anker möglichst klein gehalten wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen
Aktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktor mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventil
trieb von Brennkraftmaschinen, d. h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hub
kolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktoren in gewünschter
Weise betätigt, also oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derar
tigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder
auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktoren be
wegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubven
tiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch können die
Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Be
triebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie an die je
weiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen,
Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetrie
benen Fahrzeuges angepaßt werden.
Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktors zur Betätigung der
Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektroma
gnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen" bzw.
"Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektormagnet-Spulen und
ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positio
nen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch auf die
beigefügte Fig. 1 verwiesen, die einen derartigen Aktor mit zugeordnetem
Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventils und Aktor-
Ankers zeigt. Zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der
Aktor-Hubventil-Einheit ist der Verlauf des Ankerhubes z bzw. Ankerweges
zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen und ferner der Verlauf des
Stromflusses I in den beiden Elektromagnet-Spulen jeweils über der Zeit t
entsprechend einem (gegenüber der eingangs genannten DE 195 30 121 A1
einfacheren) bekannten Stand der Technik dargestellt.
In Fig. 1 ist der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles
dargestellt, welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Wie üblich greift
an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an. Ferner wirkt auf den
Schaft des Hubventiles 1 - hier unter Zwischenschaltung eines (nicht unbe
dingt erforderlichen) hydraulischen Ventilspielausgleichselements 3 - der in
seiner Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktor ein. Dieser besteht neben zwei
Elektromagnet-Spulen 4a, 4b aus einer auf den Schaft des Hubventiles 1
einwirkenden Stößelstange 4c, die einen Anker 4d trägt, der zwischen den
Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Am
dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der Stößelstange 4c greift
ferner eine Ventilöffnungsfeder 2b an.
Hierbei handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für wel
ches die Ventilschließfeder 2a und die Ventilöffnungsfeder 2b eine erste so
wie eine zweite Rückstellfeder bilden, für welche folglich im weiteren eben
falls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet werden.
Linksseitig ist in Fig. 1 die erste Endposition dieses schwingungsfähigen
Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist und
der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt. Diese Spule
wird im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet, nachdem diese
Spule 4b das Hubventil 1 in seiner geöffneten Position hält.
Rechtsseitig ist in Fig. 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen
Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geschlossen ist
und der Anker 4d an der oberen Elektromagnet-Spule 4a anliegt. Im folgen
den wird diese Spule auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet, nachdem die
se Spule 4a das Hubventil 1 in seiner geschlossenen Position hält.
Im folgenden wird nun kurz der Schließvorgang des Hubventils 1 beschrie
ben, d. h. in Fig. 1 der Übergang vom linksseitigen Zustand in den rechts
seitig dargestellten Zustand; dazwischen sind die entsprechenden Verläufe
der in den Spulen 4a, 4b fließenden elektrischen Ströme I sowie der Hub
verlauf bzw. die Wegkoordinate z des Ankers 4d jeweils über der Zeit t auf
getragen.
Ausgehend von der linksseitigen Position "Hubventil offen" wird zunächst die
Öffner-Spule 4b bestromt, um den Anker 4d in dieser Position gegen die ge
spannte Ventilschließfeder 2a (= untere erste Rückstellfeder 2a) zu drücken,
wobei der Strom I in dieser Spule 4b im I-t-Diagramm gestrichelt dargestellt
ist. Wird nun der Strom I der Öffner-Spule 4b für einen gewünschten Über
gang nach "Hubventil geschlossen" ausgeschaltet, so löst sich der Anker 4d
von dieser Spule 4b und das Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventil
schließfeder 2a in etwa bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleunigt,
bewegt sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter und spannt dabei
die Ventilöffnungsfeder 2b, so daß das Hubventil 1 (und der Anker 4d) da
durch abgebremst werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu einem
geeigneten Zeitpunkt bestromt (der Strom 1 für die Spule 4a ist im I-t-
Diagramm in durchgezogener Linie dargestellt), wodurch diese Spule 4a den
Anker 4d einfängt - hierbei handelt es sich um den sog. Fangvorgang -, und
ihn schließlich in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlos
sen" hält. Nachdem der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen ist, wird
in dieser im übrigen auf ein niedrigeres Haltestrom-Niveau umgeschaltet
(vgl. I-t-Diagramm).
Der umgekehrte Übergang von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen"
geschieht ausgehend von der in Fig. 1 rechtsseitig dargestellten Position
analog durch Ausschalten des Stromes I in der Schließer-Spule 4a und zeit
versetztes Einschalten des Stromes für die Öffner-Spule 4b. Generell wird
dabei für das Bestromen der Spulen 4a, 4b an diese eine ausreichende
elektrische Spannung gelegt, während das Abschalten des elektrischen
Stromes I durch eine Herabsetzung der elektrischen Spannung auf den Wert
"Null" initiiert wird. Die notwendige elektrische Energie für den Betrieb jedes
Aktors 4 wird dabei entweder dem Bordnetz des von der zugehörigen Brenn
kraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges entnommen oder über eine sepa
rate, dem Ventiltrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Energieversorgung
bereitgestellt. Dabei wird die elektrische Spannung durch die Energieversor
gung konstant gehalten, und der Spulenstrom I der den Brennkraftmaschi
nen-Hubventilen 1 zugeordneten Aktoren 4 durch ein Steuergerät derart ge
steuert, daß sich die notwendigen Kräfte für das Öffnen, Schließen und Hal
ten des bzw. der Hubventile 1 in der jeweils gewünschter Position ergeben.
Beim soeben erläuterten Stand der Technik wird der Spulenstrom I während
des sogenannten Fangvorganges, in welchem eine der beiden Spulen 4a, 4b
danach trachtet, den Anker 4d einzufangen, vom genannten Steuergerät
bzw. von einer Steuereinheit durch Taktung auf einen Wert geregelt, der
groß genug ist um den Anker 4d unter allen Bedingungen sicher einzufan
gen. Nun ist die Kraft der fangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b auf
den Anker 4d näherungsweise proportional zum Strom I und umgekehrt pro
portional zum Abstand zwischen Spule und Anker. Wird nun - wie im be
kannten Stand der Technik - ein konstanter Strom I eingestellt, so steigt die
auf den Anker 4d einwirkende Magnet-Kraft mit seiner Annäherung an die
jeweilige ihn einfangende Spule 4a bzw. 4b umgekehrt proportional zum ver
bleibenden Spalt, wodurch die Ankerbeschleunigung und Ankergeschwindig
keit ansteigen. Hieraus resultiert eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des An
kers 4d auf die jeweilige Elektromagent-Spule 4a bzw. 4b, was zum einen
einen hohen Verschleiß im Aktor 4, zum anderen aber auch eine hohe Ge
räuschentwicklung zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil sind die bei der kurz
beschriebenen getakteten Stromregelung auftretenden Umschaltverluste der
Transistoren, die eine erhöhte Leistungsaufnahme und Temperaturbelastung
des verwendeten Steuergerätes sowie eine erhöhte elektromagnetische Ab
strahlung in den Zuleitungen der Aktoren zur Folge haben.
Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung so
wie den Aktorverschleiß bringt der aus der eingangs genannten
DE 195 30 121 A1 bekannte Stand der Technik. Hierin ist ein Verfahren zur
Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektroma
gnetischen Aktor vorgeschlagen, wobei mit einer Annäherung des Ankers an
die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende
Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt (d. h. im wesentli
chen reduziert) wird, so daß der durch die Spule fließende Strom während
eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. Ferner ist noch ange
geben, daß das Ausmaß der Spannungsbegrenzung bzw. Spannungsredu
zierung in einem Kennfeld festgelegt sein kann. Die entsprechenden Werte
und insbesondere auch der jeweilige Zeitpunkt, zu welchem diese Span
nungsreduzierung einsetzen soll, können auf experimentellem Wege be
stimmt werden.
Aus der DE 198 32 198 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffge
schwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktors beschrieben,
bei dem in einer Bremsphase, welches sich an eine Fangphase anschließt,
eine getaktete elektrische Spannung angelegt wird, wobei die jeweiligen
Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis eines Reglers anhand
einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt wer
den.
Die tatsächlichen Spannungsverläufe für die Verwirklichung dieser Verfahren
werden in der Regel über sogenannte Reglerentwurfsverfahren ermittelt.
Dabei handelt es sich um empirische oder numerische, also rechnerische
Verfahren, die bei Stellung von bestimmten Randbedingungen einen Span
nungsverlauf ermitteln, mit dem das gewünschte Ergebnis dargestellt werden
kann.
Bei den bisherigen Verfahren wurde allerdings nicht berücksichtigt, dass es
im Anker teilweise zu hohen Wirbelströmen kommt, welche Energieverluste
und Ungenauigkeiten bei den einzelnen Ventilsteuerzeiten nach sich ziehen.
Diese Nachteile hat man bisher damit zu lösen versucht, dass Wirbelströme
durch die Verwendung eines geblechten Ankers oder eines Ankers mit nied
riger elektrischer Leitfähigkeit möglichst vermieden werden. Dies führt jedoch
in der Regel zu hohen Kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei
dem hohe Wirbelströme im Anker beim Betrieb eines eingangs beschriebe
nen elektromagnetischen Aktors möglichst vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung ist die Berücksichti
gung der im Anker auftretenden Wirbelströme bei der Erstellung des Spannungsverlaufs
zur Regelung/Steuerung des elektromagnetischen Aktors.
Dabei kann aus einer Menge von möglichen Spannungsverläufen, die jeweils
einen Betrieb eines elektrischen Aktors in der erforderlichen Weise gestat
ten, ein Spannungsverlauf im Sinne einer Vermeidung von Wirbelströmen
ausgewählt werden.
Zum Verständnis der Erfindung ist es hilfreich, ein Ersatzschaltbild für die
Magnetflüsse zu entwerfen, welches die Magnetquellen sowie die Magnetwi
derstände aufzeigt. In diesem Ersatzschaltbild stellt der im Anker auftretende
Wirbelstrom eine Magnetflussquelle dar, die einen Magnetfluß erzeugt, der
dem übrigen Magnetfluss entgegengerichtet ist. Durch entsprechende Be
rücksichtigung dieser Magnetflussquelle in einem mathematischen Modell,
mit dem die Wirbelströme im Anker berechnet werden können, kann dann
eine Spannungssteuerung gewählt werden, die zu einem minimalen Wirbel
strom führt.
Vorzugsweise wird ein mathematisches oder numerisches Modell zur Er
mittlung des Spannungsverlaufs verwendet. Eine Möglichkeit zur Ermittlung
des Spannungsverlaufs besteht in der Verwendung eines sog. Reglerent
wurfsverfahrens mit variabler Struktur, wie sie allgemein bekannt sind.
Der Spannungsverlauf kann dann auf verschiedene Arten und Weisen, bei
spielsweise durch eine Pulsweitenmodulation, realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei
spiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Ak
tors mit zugeordnetem Hubventil in den beiden möglichen
Endlagen des Hubventils, wobei zwischen den beiden gezeigten
Zuständen der Verlauf des Ankerhubs z sowie der Verlauf
des Stromflusses I in den beiden Elektromagnet-Spulen darge
stellt ist,
Fig. 2 ein Blockdiagramm, in der ein Regelungskonzept gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
Fig. 3a
bis 3d Diagramme, die einzelne Phasen einer Regelung während des
Fangvorganges darstellen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Aktorteils mit einem skiz
zierten Magnetfluß und
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 4 abgebildeten Magnetflusses.
Bezüglich der Beschreibung zu Fig. 1 wird auf die einleitende Ausführung
verwiesen.
Eine Ausführungsform eines Regelungskonzeptes ist blockschaltbildartig in
Fig. 2 dargestellt. Ein Regler 10 führt eine Regelung anhand der Signale
einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie 20 durch, wo
bei Signale eines nebengeordneten Beobachters 11 verarbeitet werden. Die
Ausgangsgröße des Regelungskonzeptes bzw. des Reglers 10 ist eine an
der jeweils den Anker 4d (siehe Fig. 1) einfangenden Spule 4a bzw. 4b an
gelegte oder anliegende elektrische Spannung U. Diese Spannung U hat
beispielsweise einen betragsmäßig festgelegten Wert und wird vom Regler
10 zeitlich getaktet an die jeweilige Spule 4a bzw. 4b angelegt
(Pulsweitenmodulation), wobei das Vorzeichen der elektrischen Spannung in
geeigneter Weise bestimmt wird.
Die dem Hubverlauf des Hubventils 1 bzw. Ankers 4d entsprechende Positi
on zwischen den Spulen 4a, 4b durch die Wegkoordinate z, welche auf ge
eignete Weise gemessen wird, ist eine Eingangsgröße des hier beschriebe
nen Regelungskonzeptes. Die Wegkoordinate z wird dabei vom Beobachter
11 weiter verarbeitet. Der Einfachheit halber wird im folgenden die Position
des Ankers direkt mit "z" bezeichnet, ohne den erklärenden Begriff
"Wegkoordinate" zu verwenden.
Aus der Wegkoordinate z ist durch einmalige bzw. zweimalige Ableitung über
die Zeit die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sowie die Anker-
Beschleunigung schätzbar bzw. ermittelbar. Der Wert z sowie die daraus
abgeleiteten Größen , werden dabei vom Beobachter 11 ermittelt und
als sog. Schätzwert 21 dem Regler 10 mitgeteilt.
Eine weitere Eingangsgröße des hier beschriebenen Regelungskonzeptes,
die vom Beobachter 11 bei der Ermittlung der Schätzwerte 21 verarbeitet
wird, ist der in den jeweiligen Spulen 4a, 4b ermittelte Stromfluß I. I ist eine
Folge der angelegten Spannung U.
Die in der Figurenfolge 3a bis 3d gezeigten Phasen stellen die Regelung
während des Fangvorgangs durch eine der beiden Spulen 4a, 4b bei einem
System nach Fig. 1 dar.
Jeweils über der Zeit t ist dabei im oberen Diagramm (Fig. 3a) die an die
den Anker einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Span
nung U aufgetragen, während im zweiten Diagramm (Fig. 3b) die zugehöri
ge Wegkoordinate z des Ankers 4d dargestellt ist. In Fig. 3a sind dabei die
einzelnen Phasen, nämlich die Fangphase FP, die Bremsphase BP und die
nach dem Auftreffen des Ankers auf der Spule folgende Haltephase HP ge
kennzeichnet.
Was nun den Start der Fangphase FP zum Zeitpunkt t1 betrifft, zu welchem
die den Anker einfangende Spule mit elektrischer Spannung U beaufschlagt
wird, so kann dieser Einschaltzeitpunkt t1 grundsätzlich innerhalb gewisser
Grenzen frei gewählt werden; es muß hierbei lediglich sichergestellt sein,
dass der Anker 4d überhaupt noch eingefangen werden kann. Die Ermittlung
der Spannung U bzw. des Spannungsverlaufs wird später noch näher erläu
tert.
Wie in Fig. 3a dargestellt, unterteilt der Regler 10 den gesamten Fangvor
gang des Ankers 4d in zwei Phasen, nämlich eine Fangphase FP und eine
sich daran anschließende Bremsphase BP.
Die letztgenannte Phase schließt sich nach dem Auftreffen des Ankers 4d
auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b als dritte Phase (Haltephase HP) an. In
dieser Phase wird der Anker 4d sicher auf der jeweiligen Elektromagnet-
Spule gehalten. Hierzu kann die Haltestromregelung umgeschalten werden,
was wie dargestellt durch eine getaktete Beaufschlagung der jeweiligen
Spule 4a, 4b mit der elektrischen Spannung U erfolgt.
Bei der Bremsphase BP wird in dieser zum Zeitpunkt t2 zunächst die Span
nungsversorgung der jeweiligen, den Anker 4d einfangende Spule 4a bzw.
4b unterbrochen, wodurch diese Bremsphase BP gestartet wird. Die jeweili
gen Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der betragsmäßig kon
stanten oder betragsmäßig variablen Spannung U sowie das hierzu gehörige
Vorzeichen wird dabei vom Regler 10 nach einem vorgegebenen und vorher
festgelegten Spannungsverlauf bestimmt.
Die Funktion des Reglers 10 läßt sich dabei wie folgt beschreiben: Zur Er
zielung einer reduzierten Auftreffgeschwindigkeit auf der jeweiligen Spule 4a
bzw. 4b muß der Anker 4d bereits in seiner Flugphase, d. h. bei dem eigentlichen
Auftreffen, geregelt abgebremst werden. Allerdings sollte diese Brems
phase BP die Öffnungs- und Schließzeit des vom Aktor 4 betätigten Brenn
kraftmaschinen-Hubventiles 1 nicht mehr als nötig verlängern.
Für den Entwurf eines diesen Anforderungen gerecht werdenden Reglers 10
sind zunächst geeignete Zustandsgrößen für die Ankerbewegung auszu
wählen. Bevorzugt wird hierbei neben der Ankerposition z und der Anker-
Geschwindigkeit , die sich grundsätzlich durch zeitliche Differenzierung der
Ankerposition z ermitteln läßt, die Ankerbeschleunigung als dritte Zu
standsgröße gewählt, da sie als direkte Ableitung der Ankergeschwindigkeit
ebenfalls eine leicht interpretierbare Größe darstellt.
Neben diesen drei Größen nämlich der Ankerposition z, der Anker-
Geschwindigkeit und der Ankerbeschleunigung werden nachfolgend
noch weitere Randbedingungen genannt.
Wie in Fig. 4 (welche einen Ausschnitt eines elektrischen Aktors gemäß
Fig. 1 darstellt) gezeigt wird, findet ein durch die Bestromung der Spulen 4a
bzw. 4b verursachter Magnetfluss statt. Dabei ergibt sich, wie aus dem Er
satzschaltbild gemäß Fig. 5 klar wird, zum einen ein Magnetfluss Φc im Joch.
Ferner findet im Anker 4d ein Magnetfluss Φa statt. Darüber hinaus existiert
ein Streumagnetfluss Φw zwischen den beiden offenen Enden des Jochs 5,
und zwar sowohl bei aufliegendem wie auch bei nicht aufliegendem Anker.
Die Bezugsziffer 60 in Fig. 5 bezeichnet die durch die Spulen 4a bzw. 4b
erzeugte Magnetflussquelle, welche durch die Anzahl der Spulenwindungen
N sowie durch den Spulenstrom I charakterisierbar ist. Der über die beiden
offenen Enden des Jochs 5 stattfindende Streumagnetfluss Φw wird als ma
gnetischer Widerstand Rw beschrieben. Der magnetische Widerstand Rc
(Bezugsziffer 64) stellt den magnetischen Widerstand im Joch 5 dar. Der
magnetische Widerstand Raz (Bezugsziffer 66) stellt den magnetischen Wi
derstand im Anker einerseits und in den Luftspalten zwischen Anker 4d und
dem Joch 5 für den Fall dar, dass der Anker 4d nicht vollständig auf dem
Joch 5 aufliegt.
Mit der Bezugsziffer 68 ist eine weitere Magnetflussquelle gekennzeichnet,
die aus dem im Anker 4d induzierten Wirbelstrom II resultiert. Der im Anker
4d induzierte Wirbelstrom II kann mittels eines mathematischen Modells be
stimmt werden. Während den verschiedenen Phasen (Fangphase, Brems
phase) kann nun der Regler 10 zur Ausführung seiner Funktion auf die oben
beschriebene Solltrajektorie 20 zurückgreifen. Diese Solltrajektorie enthält in
Abhängigkeit von der Zeit t neben den miteinander korrelierenden Werten für
die Position z, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des An
kers 4d auch den Strom I, welcher für die im Anker 4d induzierte Spannung
mit zu berücksichtigen ist.
Bei der Solltrajektorie 20 handelt es sich somit um nichts anderes, als um
eine Wertetabelle von Soll-Werten, die in einen Speicher abgelegt sind.
Falls nun bei Betrieb des elektromagnetischen Aktors 4 die tatsächlichen Ist-
Werte für die Position z, die Geschwindigkeit sowie die Beschleunigung
des Ankers 4d zu stark von den Soll-Werten abweichen, so korrigiert dies
der Regler 10 durch geeignetes Zu- oder Abschalten der Spannung U. Die
detaillierte Auslegung des Reglers 10 kann dabei durch verschiedene Ver
fahren der linearen und nicht linearen Regelungstheorie erfolgen und sollen
hier nicht näher behandelt werden.
Was nun die Ermittlung dieser Wertetabelle bzw. Solltrajektorie 20 betrifft, so
wird bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, diese unter an
derem aus der Randbedienung, dass die Beschleunigung des Ankers 4d
zum Zeitpunkt des Auftreffens auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a
bzw. 4b den Wert 0 haben soll, zu berechnen. Ferner soll der Strom I in der
Wertetabelle derart ausgelegt sein, dass der daraus resultierende Wirbel
strom im Anker 4d minimal gehalten werden kann. Bei Einhalten dieser Be
dingungen kann der Anker 4d ruckfrei auf die Spule 4a bzw. 4b aufsetzen
ohne dass es während der Fangphase zu übermäßigen Wirbelstromverlu
sten im Anker 4d kommt.
In den Fig. 3b, 3c und 3d ist dabei die Position z, die Anker-
Geschwindigkeit sowie die Anker-Beschleunigung jeweils über der Zeit
und in der Endphase der Ankerbewegung, d. h. vor dem Auftreffen des An
kers 4d auf der in einfangende Spule 4a bzw. 4b, aufgetragen. Ab dem Zeit
punkt t2 wird der eigentliche Regelvorgang gestartet und zwar bis zu dem
Aufsetzzeitpunkt t4, was die Bremsphase BP beendet.
Wie sich aus der bisherigen Beschreibung ergibt, benötigt der Regler 10
beim vorliegenden Verfahren für die Durchführung hier in der Funktion zu
mindest vier Zustandsgrößen und zwar bevorzugt die Anker-Position z, die
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d, sowie die Anker-
Beschleunigung und den Spulenstrom I. Es ist zweckmäßig sogenannte
Beobachter 11 zur Ermittlung von Zustandsgrößen einzusetzen, wie dies im
Zusammenhang mit Fig. 2 bereits angesprochen wurde. In diesem Beob
achter 11 ist dem Aktor 4 ein Aktormodell parallel geschaltet, das mit einer
für den Aktor 4 wesentlichen Größe, nämlich mit der Größe des in der jewei
ligen Spule 4a, 4b festgestellten Stromflusses I, gespeist wird. In diesen Be
obachter 11 können die auf dieser Basis geschätzte Ankerposition mit der
tatsächlich gemessen und dem Beobachter 11 zusätzlich als Eingangsgröße
übermittelten Ankerposition z verglichen werden. Die Differenz hieraus kann
dann über eine Korrekturfunktion auf die Größe bzw. sogenannte Zustands
größen des Aktormodells zurückgekoppelt werden. Bei einer fehlerhaften
Schätzung der Anfangszustände gleicht der Beobachter 11 aufgrund der
darin enthaltenen Korrekturfunktion die geschätzten Werte für die Anker-
Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d sowie die An
ker-Beschleunigung und dem Strom I den tatsächlichen Werten hierfür an.
Die Auslegung der soeben genannten Korrekturfunktion kann dabei durch
verschiedene Verfahren der linearen und nichtlinearen Regelungstheorie
erfolgen. Bei der Berücksichtigung des im Anker induzierten Wirbelstroms
können diese durch ein geeignetes Spannungsregelverfahren vermieden
werden, so dass es zu keinen übermäßigen Energieverlusten kommt. Über
dies läßt sich damit eine höhere Genauigkeit der Steuerzeiten erreichen.
Auch sind keine konstruktiven Maßnahmen zur Vermeidung der Wirbelströ
me notwendig. Vielmehr werden die Wirbelströme durch geeignetes zu- und
abschalten der Spulenspannung in dem erforderlichen und gewünschten
Maße gedämpft.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere
zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, mit
einem Anker (4d), der oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen (4a,
4b) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (2a, 2b) durch
alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) bewegt wird
und wobei mit einer Annäherung des Ankers (4d) an die zunächst bestromte
Spule (4a, 4b) während des sogenannten Fangvorganges die an der den
Anker einfangenden Spule (4a, 4b) anliegende Spannung reduziert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Spannungssteuerung mit einem Spannungsverlauf gewählt wird,
bei dem ein mit einem mathematischen Modell berechneter Wirbelstrom im
Anker (4d) möglichst klein gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsverlauf empirisch oder numerisch, insbesondere anhand
einer Simulation, bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsverlauf mittels eines Reglerentwurfsverfahren mit varia
bler Struktur bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsverlauf durch Pulsweitenmodulations realisiert wird.
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