DE10018175A1 - Circuit arrangement for operating a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator - Google Patents

Circuit arrangement for operating a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors für ein Gaswechsel-Ventil eines Verbrennungsmotors mit zumindest einer Spule, die einen Anker des elektromagnetischen Aktors bei deren Bestromung anzieht. DOLLAR A Zur Realisierung einer exakteren Schaltweise und genauerer Steuerkanten bei einem hochdynamischen elektromagnetischen Aktor wird vorgeschlagen, die Spule derart über zumindest zwei Schaltelemente (T3-T8) mit zumindest einer Versorgungsspannungsquelle (+U, -U) zu verbinden, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule (W, W') geleitet werden kann.The invention relates to a circuit arrangement for operating a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator for a gas exchange valve of an internal combustion engine with at least one coil which attracts an armature of the electromagnetic actuator when it is energized. DOLLAR A To achieve a more precise switching and more precise control edges in a highly dynamic electromagnetic actuator, it is proposed to connect the coil to at least one supply voltage source (+ U, -U) via at least two switching elements (T3-T8) in such a way that current flows through in both directions the coil (W, W ') can be conducted.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynami­ schen elektromagnetischen Hubanker-Aktors gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for operating a highly dynamic rule electromagnetic lifting armature actuator according to the preamble of the An saying 1.

Ein Anwendungsbereich für einen hochdynamischen elektromagnetischen Huban­ ker-Aktors ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Dabei werden Gaswechsel-Hubventile von solchen Aktoren oszillierend geöffnet und geschlossen. Durch die Möglichkeit, die Zeitpunkte für das Öffnen und Schlie­ ßen völlig frei zu wählen, können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen Betriebszustand angepaßt werden.An area of application for a highly dynamic electromagnetic huban ker actuator is the electromagnetically actuated valve train of an internal combustion engine. Gas exchange globe valves are opened by such actuators in an oscillating manner and closed. Due to the possibility of opening and closing times The valve timing of the internal combustion engine can be chosen completely freely can be optimally adapted to an operating state.

Bei dem elektromagnetischen Hubanker-Aktor ist ein Anker zwischen zwei Elektro­ magneten angeordnet und wird durch eine entsprechende Bestromung der zugehö­ rigen Elektromagnet-Spulen zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" hin und her bewegt. Das aus dem Hubanker-Aktor und den Federn bestehende System stellt dabei ein Feder-Masse-Schwingungssystem dar.In the electromagnetic lifting armature actuator, there is an armature between two electrics magnet arranged and is by a corresponding energization of the zugehö electromagnet coils between the positions "lift valve open" and "Lift valve closed" moved back and forth. That from the lifting anchor actuator and the Springs existing system is a spring-mass vibration system.

Herkömmlicherweise werden bei der Ansteuerung dieser Spulen Halbbrücken- Schaltungen verwendet. Eine Ausführungsform einer solchen Halbbrücken- Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist eine Spule W an ihren beiden Enden über Transistoren T1 und T2 mit jeweils einem Pol einer Versorgungsspannungs­ quelle verbunden. Bei einem Durchschalten der beiden Transistoren T1 und T2 wird die Spule W mit Strom in einer bestimmten Richtung (vgl. Pfeil in Fig. 3) beauf­ schlagt. Die zwei Dioden D1 und D2 bilden einen sogenannten Freilaufzweig, über den der Strom selbständig kommutiert, sobald die Transistoren T1 und T2 abge­ schalten werden. Der Strom ließt jedoch in jedem Fall nur in einer Richtung durch die Spule.Conventionally, half-bridge circuits are used to control these coils. An embodiment of such a half-bridge circuit is shown in FIG. 3. Here, a coil W is connected at its two ends via transistors T1 and T2, each with a pole of a supply voltage source. When the two transistors T1 and T2 are turned on, current W is applied to the coil W in a specific direction (see arrow in FIG. 3). The two diodes D1 and D2 form a so-called freewheeling branch via which the current commutates automatically as soon as the transistors T1 and T2 are switched off. In any case, the current only flows through the coil in one direction.

Nachteilig wird das Ablösen des Ankers vom Blechpaket des Magneten durch Wir­ belströme und Remanenzflüsse im Magnetmaterial beeinflußt. Diese Effekte führen dazu, dass zum Teil starke Streuungen in der Ablösezeit auftreten. Dieser Effekt ist in Fig. 4 dargestellt. Darin ist zu erkennen, dass sich die Flugbahn des Ankers nach dem Abschalten des Stroms unterschiedlich entwickeln kann. Jede der drei in Fig. 4 dargestellten Kurven stellt ein mögliches Bewegungsverhalten dar. Diese Streuung führt dazu, dass Steuerkanten nicht exakt eingehalten werden können, was zu ne­ gativen Einflüssen in der Motorleistung und im Motormoment bzw. zu einer Ver­ brauchserhöhung und einer Reduzierung des Wirkungsgrades führt.Disadvantageously, the detachment of the armature from the laminated core of the magnet is influenced by the bel currents and residual fluxes in the magnet material. These effects lead to the fact that there are strong scattering in the peeling time. This effect is shown in Fig. 4. This shows that the armature's trajectory can develop differently after the power is switched off. Each of the three curves shown in FIG. 4 represents a possible movement behavior. This scattering means that control edges cannot be adhered to exactly, which leads to negative influences in engine performance and engine torque or to an increase in consumption and a reduction in efficiency leads.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der die obigen Nachteile verhindert werden können.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement with which the above disadvantages can be prevented.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in claim 1.

Demgemäß ist es ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung, dass die bzw. jede Spule eines elektromagnetischen Aktors über zumindest zwei Schaltele­ mente mit zumindest einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, und zwar derart, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule geleitet werden kann.Accordingly, it is an essential concept of the present invention that the or each coil of an electromagnetic actuator via at least two switching elements elements is connected to at least one supply voltage source, namely such that current can be passed through the coil in both directions.

Als Schaftelemente eignen sich in besonderer Weise Transistoren.Transistors are particularly suitable as shaft elements.

In einer Ausführungsform wird eine Vollbrückenschaltung verwendet, bei der die Spule an jedem Ende jeweils über ein Schaltelement mit der Versorgungsspan­ nungsquelle und über ein anderes Schaltelement mit Masse verbunden ist. Durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente kann der Strom in der Spule umge­ kehrt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, beim Abschalten der Spule einen kurzen Stromimpuls in die Gegenrichtung aufzubauen, so dass die Remanenzfeld­ stärke auf Null gebracht werden kann. Ebenso kann ein kurzer Stromimpuls in Ge­ genrichtung für einen schnellen Abbau der Wirbelströme sorgen, die ansonsten langsam ausklingen würden.In one embodiment, a full bridge circuit is used in which the Coil at each end via a switching element with the supply chip voltage source and is connected to ground via another switching element. By  Corresponding switching of the switching elements can reverse the current in the coil be returned. This makes it possible, for example, to switch one off when the coil is switched off build up short current pulse in the opposite direction so that the remanence field strength can be brought to zero. A short current pulse in Ge direction for a rapid reduction of the eddy currents that otherwise would slowly fade away.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Art Halbbrückenschaltung mit zwei Versorgungsspannungsquellen, nämlich +U und -U, verwendet, und über die Schaltelemente kann die Spule wahlweise mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Auch so kann der Stromfluß durch die Spule umgekehrt werden.According to a further embodiment, a type of half-bridge circuit is included two supply voltage sources, namely + U and -U, are used, and via the Switching elements, the coil can optionally be connected to a voltage source become. The current flow through the coil can also be reversed in this way.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen inThe invention is described below using two exemplary embodiments and with reference explained in more detail on the accompanying drawings. The drawings show in

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung, Fig. 1 is a diagram of an embodiment of a switching arrangement according to the invention,

Fig. 2 zwei Diagramme, aus denen das Ablöseverhalten eines mit der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung betriebenen Aktors erkennbar ist, Fig. 2 shows two diagrams, of which the separation behavior of an operated with the circuit arrangement OF INVENTION to the invention the actuator can be seen

Fig. 3 ein Schaltbild einer herkömmlichen Schaltungsanordnung, Fig. 3 is a circuit diagram of a conventional circuit arrangement,

Fig. 4 zwei Diagramme, aus denen das Ablöseverhalten eines mit der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung betriebenen Aktors erkennbar ist und FIG. 4 shows two diagrams from which the separation behavior of an actuator operated with the circuit arrangement shown in FIG. 3 can be seen and

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung. Fig. 5 is a circuit diagram of another embodiment of an inventive circuit arrangement SEN.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine Spule W eines elektromagnetischen Aktors dargestellt. Ein Ende der Spule W ist über einen Transistor T3 mit der Ver­ sorgungsspannung U und über einen Transistor T4 mit Masse verbunden. Das an­ dere Ende der Spule W ist über einen Transistor T5 ebenfalls mit der Versorgungs­ spannung U und über einen Transistor T6 wiederum mit Masse verbunden. In the embodiment of FIG. 1 is shown a coil W of an electromagnetic actuator. One end of the coil W is connected to the supply voltage U via a transistor T3 and to ground via a transistor T4. The other end of the coil W is also connected to the supply voltage U via a transistor T5 and in turn connected to ground via a transistor T6.

Ferner sind jedem Transistor T3 bis T4 jeweils Dioden D3 bis D6 parallgeschaltet, deren Wirkungsweise später erläutert wird.Furthermore, each transistor T3 to T4 is connected to diodes D3 to D6 in parallel, whose mode of operation will be explained later.

Werden die beiden Transistoren T3 und T6 gleichzeitig durchgeschalten, so kann ein Strom durch die Spule W geschickt werden, wie dies auch bei der herkömmli­ chen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 möglich war. Die Transistoren T4 und T5 sind dabei gesperrt.If the two transistors T3 and T6 are switched through at the same time, a current can be sent through the coil W, as was also possible in the conventional circuit arrangement according to FIG. 3. The transistors T4 and T5 are blocked.

Beim Abschalten der Transistoren T3 und T6 kommt es dann zum Aufbau einer Induktionsspannung, welche versucht, den Strom durch die Spule aufrechtzuerhal­ ten. Damit keine Beschädigung der vorhandenen Transistoren auftritt, sind die Di­ oden D4 und D5 vorgesehen, welche als Freilaufschaltung dienen.When the transistors T3 and T6 are switched off, a Induction voltage that tries to maintain the current through the coil So that no damage to the existing transistors occurs, the Di oden D4 and D5 are provided, which serve as a freewheeling circuit.

Werden nach dem Sperren der Transistoren T3 und T6 dann die Transistoren T4 und T5 durchgeschalten, so kann die Spule W in anderer Richtung bestromt wer­ den.After blocking the transistors T3 and T6, the transistors T4 and T5 switched through, the coil W can be energized in another direction the.

Die Dioden D3 und D6 dienen dann als Freilaufschaltung, wenn die Transistoren T4 und T5 wiederum gesperrt werden.The diodes D3 and D6 serve as a freewheeling circuit when the transistors T4 and T5 are blocked again.

Insgesamt ist es mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung möglich, die Spule strom­ flussmäßig in beiden Richtungen zu betreiben. Damit kann man nach einem Ab­ schalten der Spule durch kurzzeitige Bestromung in die andere Richtung beispiels­ weise eine geringe magnetische Feldstärke und einen entsprechenden Fluß erzeu­ gen, der zum Abbau der Wirbelströme bzw. der Remanenzfeldstärke beiträgt. Das daraus resultierende Ergebnis ist in Fig. 2 näher dargestellt. Gemäß dem Strom- Zeit-Diagramm (Strom-t-Diagramm) wird der Strom zu einem Zeitpunkt abgeschal­ ten und fällt zunächst auf Null. Hat er dann den Wert Null erreicht, wird kurzzeitig ein Strom in der anderen Richtung durch die Spule W geschickt, was durch einen negativen Ausschlag im Strom-Zeit-Diagramm der Fig. 2 zu erkennen ist. Aufgrund dieser Maßnahme können die magnetischen Störeffekte so verringert werden, dass der Zeitraum T2, in dem Streuungen in der Ablösezeit auftreten, gegenüber einer herkömmlichen Schaltungsanordnung sehr klein gehalten werden (vgl. Dauer T2 gegenüber Dauer T1 aus Fig. 1).Overall, it is possible with the circuit shown in FIG. 1 to operate the coil in terms of current in both directions. So that one can switch off the coil by briefly energizing in the other direction, for example, a low magnetic field strength and a corresponding flux, which contributes to the reduction of the eddy currents or the remanence field strength. The resultant result is shown in more detail in FIG. 2. According to the current-time diagram (current-t diagram), the current is switched off at one point in time and initially drops to zero. If he then reached the value zero, a current is briefly sent through the coil W in the other direction, which can be seen from a negative deflection in the current-time diagram of FIG. 2. As a result of this measure, the magnetic interference effects can be reduced in such a way that the period T 2 , in which scattering occurs in the detachment time, is kept very small compared to a conventional circuit arrangement (cf. duration T 2 versus duration T 1 from FIG. 1).

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist eine Spule W' gezeigt, die an einem Ende mit Masse verbunden ist. Das andere Ende der Spule W' ist über einen ersten Transistor T7 mit einer positiven Versorgungs­ spannungsquelle (+U) und mit einem zweiten Transistor T8 mit einer negativen Versorgungsspannungsquelle -U verbunden. Zudem sind den beiden Transistoren T7 und T8 jeweils Dioden D7 bzw. D8 parallelgeschaltet, die wiederum als Freilauf­ dioden dienen.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 5. There is shown a coil W 'which is connected to ground at one end. The other end of the coil W 'is connected via a first transistor T7 to a positive supply voltage source (+ U) and with a second transistor T8 to a negative supply voltage source -U. In addition, the two transistors T7 and T8 each have diodes D7 and D8 connected in parallel, which in turn serve as freewheeling diodes.

Wird nun der erste Transistor T7 durchgeschalten, so fließt ein Strom von +U über die Spule W' zu Masse. Durch Sperren des Transitors T7 und Durchschalten des Transistors T8 kann ein Stromfluß von Masse zu -U erreicht werden. Dabei ist der Stromfluß in der Spule W' gegenüber dem vorherigen Stromfluß umgekehrt, so dass sich auch mit dieser Schaltungsanordnung eine kurzzeitige Stromflußumkehr zur Vermeidung oder Verminderung eines Remanenfluß- oder Wirbelstromeffektes erreichen läßt.If the first transistor T7 is now turned on, a current of + U overflows the coil W 'to ground. By locking the T7 transistor and switching the Transistor T8 can achieve a current flow from ground to -U. Here is the Current flow in the coil W 'reversed from the previous current flow, see above that even with this circuit arrangement there is a brief reversal of the current flow to avoid or reduce a Reman flow or eddy current effect can be achieved.

Natürlich können auch anderen Schaltungsanordnungen verwendet werden, die eine Umkehr des Stromflußes in der Spule des hochdynamischen Aktors erlauben und damit zum Erreichen von genauen Steuerkanten für den Betrieb eines Ver­ brennungsmotors mit elektromagnetische betriebenen Gaswechsel-Ventilen beitra­ gen.Of course, other circuit arrangements can also be used allow a reversal of the current flow in the coil of the highly dynamic actuator and thus to achieve precise control edges for the operation of a Ver internal combustion engine with electromagnetic operated gas exchange valves beitra gene.

Durch die Realisierung eines erheblich exakteren Ablöseverhaltens kann der Motor besser ausgenützt werden. Dies bedeutet insgesamt weniger Klopfneigung, mehr Leistung und Drehmoment bzw. einen höheren Wirkungsgrad und eine Verbrauchs­ reduzierung.By realizing a considerably more precise separation behavior, the motor can be better exploited. Overall, this means less knocking tendency, more Power and torque or higher efficiency and consumption reduction.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagneti­ schen Hubanker-Aktors für ein Gaswechsel-Ventil eines Verbrennungsmo­ tors mit zumindest eine Spule, die einen Anker des elektromagnetischen Aktors bei deren Bestromung anzieht, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule derart über zumindest zwei Schaltelemente (T3-T8) mit zu­ mindest einer Versorgungsspannungsquelle (+U, -U) verbunden ist, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule (W, W') geleitet werden kann.1. Circuit arrangement for operating a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator for a gas exchange valve of an internal combustion engine with at least one coil which attracts an armature of the electromagnetic actuator when it is energized, characterized in that the coil has at least two switching elements (T3- T8) is connected to at least one supply voltage source (+ U, -U) that current can be passed through the coil (W, W ') in both directions. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente Transistoren (T3-T8) verwendet sind.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized, that transistors (T3-T8) are used as switching elements. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vollbrückenschaltung mit vier Schaltelementen, insbesondere vier Transistoren (T3-T6), vorgesehen ist, wobei die Spule (W) an jedem Ende jeweils über ein Schaltelement (T3, T5) mit der Versorgungsspannungs­ quelle (+U) und über ein anderes Schaltelement (T4, T6) mit Masse verbun­ den ist. 3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized, that a full bridge circuit with four switching elements, especially four Transistors (T3-T6) is provided, with the coil (W) at each end each via a switching element (T3, T5) with the supply voltage source (+ U) and connected to ground via another switching element (T4, T6) that is.   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absicherung der Transistoren jeweils Dioden (D3-D6) parallelge­ schaltet sind.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized, that to protect the transistors in each case diodes (D3-D6) in parallel are switched. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Spule (W') mit Masse und das andere Ende der Spule über ein erstes Schaltelement (T7) mit einer positiven Versorgungsquelle (+U) und über ein zweites Schaltelement (T8) mit einer negativen Versor­ gungsquelle (-U) verbunden ist.5. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized, that one end of the coil (W ') is ground and the other end of the coil via a first switching element (T7) with a positive supply source (+ U) and a second switching element (T8) with a negative supply supply source (-U) is connected. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schaltelemente als Transistoren (T7, T8) ausgeführt sind, wel­ che durch parallelgeschaltete Dioden (D7, D8) abgesichert sind.6. Circuit arrangement according to claim 5, characterized, that both switching elements are designed as transistors (T7, T8), wel are protected by diodes (D7, D8) connected in parallel.
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