DE10025847A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators und seine Verwendung - Google Patents

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators wird ein Anker zwischen einem ersten Elektromagneten und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Elektromagneten gegen die Kraft zweier Federn hin- und herbewegt und sein Bewegungsverlauf mit einem Trajektorienregler (Sliding-Mode-Regler) geregelt. Als nachteilig erweist sich hierbei die hohe Varianz der Ankergeschwindigkeit beim Auftreffen des Ankers auf den jeweiligen Elektromagneten. Das neue Verfahren soll eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird während des Flugs des Ankers vom ersten zum zweiten Elektromagneten, sobald der Abstand zwischen Anker und zweitem Elektromagneten einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, ein integrierend wirkender Regler aktiviert, der im aktiven Zustand aus einem dem Abstand zwischen Anker und zweiten Elektromagneten entsprechenden Abstandssignal ein Korrektursignal erzeugt, das zur Bildung eines Stromsollwerts für einen durch den zweiten Elektromagneten fließenden Fangstrom einem vom Trajektorienregler abgegebenen Stellsignal überlagert wird. DOLLAR A Betätigung eines mit dem Anker gekoppelten Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ak­ tuators gemäß dem Patentanspruch 1 sowie die Verwendung dieses Verfahrens.

Aus der EP 0 717 172 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagneti­ schen Aktuators bekannt, bei dem ein auf ein Gaswechselventil wirkender Anker durch Magnetkraft zwischen einem ersten Elektromagneten und einem diesem ge­ genüberliegenden zweiten Elektromagneten hin- und herbewegt wird und bei dem die Position des Ankers erfaßt wird und die Bestromung der Elektromagnete in Ab­ hängigkeit der Position des Ankers erfolgt. Die Bewegung des Ankers wird im fol­ genden als Flug bezeichnet.

In der nicht vorveröffentlichten DE 199 02 664.5 wird ein elektromagnetischer Ak­ tuator beschrieben, bei dem die Position des Ankers mittels eines Trajektorienreg­ lers (Sliding-Mode-Regler) geregelt wird. Hierbei wird der Bewegungsverlauf des Ankers, d. h. der Verlauf der Geschwindigkeit, mit der der Anker sich während sei­ nes Flugs von dem einen Elektromagneten zum gegenüberliegenden Elektromagne­ ten bewegt, auf einen für die momentanen Betriebsbedingungen optimalen vorgege­ benen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die Geschwindigkeit, mit der der Anker auf den jeweiligen Elektromagneten auftrifft, trotz der Regelung von Störgrößen, bei­ spielsweise von Fertigungstoleranzen, Verschleiß, Temperatureinflüssen oder Rei­ bungsänderungen, abhängig ist und während des Betriebs stark variieren kann. Ins­ besondere besteht die Gefahr, daß der Anker den Elektromagneten, auf den er sich zubewegt, nicht erreicht und vor dem Elektromagneten in einer von diesem beab­ standeten schwebenden Position festgehalten wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, das eine hohe Betriebssicherheit ge­ währleistet und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von Störgrößen oder Betriebsparametern aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird durch Detektion der Position des Ankers ein Positionssignal gebildet und die Geschwindigkeit des Ankers während seines Flugs vom ersten zum zweiten Elektromagneten vorgebbaren, von der Position des Ankers abhängigen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt. Die Regelung erfolgt dabei mit einem Trajekt­ orienregler, der aus dem Positionssignal ein erstes Stellsignal erzeugt, durch das ein durch den zweiten Elektromagneten fließender Fangstrom gesteuert wird wird. So­ bald Abstand zwischen dem Anker und dem zweiten Elektromagneten einen vorge­ gebenen Schwellwert unterschreitet, wird ein integrierend wirkender Regler akti­ viert. Dieser Regler erzeugt im aktiven Zustand aus einem Abstandssignal, das dem Abstand zwischen dem Anker und dem den Anker fangenden zweiten Elektromagne­ ten entspricht, ein Korrektursignal, das zur Bildung eines Stromsollwerts für den durch den zweiten Elektromagneten fließenden Fangstrom dem vom Trajektorien­ regler erzeugten Steilsignal überlagert wird.

Vorzugsweise wird ein PI-Regler, ein PID-Regler oder ein I-Regler zur Realisierung des integrierend wirkenden Reglers verwendet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird im Trajektorienregler aus dem Positionssignal mittels einer Sollwertvorgabeeinrichtung ein Soll- Geschwindigkeitssignal und mittels eines Beobachters, beispielsweise mittels eines Kalman-Filters oder Differenzierers, ein der momentanen Geschwindigkeit des An­ kers entsprechendes Ist-Geschwindigkeitssignal erzeugt, aus dem Soll- Geschwindigkeitssignal und Ist-Geschwindigkeitssignal durch Subtraktion ein Diffe­ renzgeschwindigkeitssignal gebildet, aus dem Differenzgeschwindigkeitssignal mit­ tels eines PD-Reglers ein Differenzbeschleunigungssignal erzeugt und aus dem Differenzbeschleunigungssignal durch Signalbegrenzung das vom Trajektorienregler als Ausgangssignal abgegebene Stellsignal erzeugt.

Vorzugsweise wird der Bewegungsverlauf des Ankers sowohl während seines Flugs vom ersten zum zweiten Elektromagneten als auch vom zweiten zum ersten Elek­ tromagneten geregelt, wobei die Regelung in beiden Fällen in gleicher Weise erfolgt.

Das Verfahren eignet sich bestens zum elektromagnetischen Steuern von Gaswech­ selventilen in Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren nä­ her erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines elektromagnetischen Aktuators mit ei­ nem Anker und mit Mitteln zum Regeln des Bewegungsverlaufs des Ankers,

Fig. 2 ein Weg-Geschwindigkeits-Diagramm als Sollgeschwindigkeitsverlauf des Ankers aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Regeleinrichtung zur Regelung des Geschwindigkeitsverlaufs des Ankers aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der elektromagnetische Aktuator 1 einen Anker 10, einen ersten Elektromagneten 11, einen zweiten Elektromagneten 12, eine erste Feder 13 und eine zweite Feder 14. Die Elektromagnete 11, 12 bestehen jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer im Spulenfenster vorgesehenen Erreger­ spule 110 bzw. 120. Bei stromlosen Elektromagneten 11, 12, d. h. bei unbestrom­ ten Erregerspulen 110, 120 wird der Anker 10 durch die gegeneinander wirkenden Federn 13, 14 in einer Ruhelage etwa in der Mitte zwischen den Elektromagneten 11, 12 festgehalten. Durch abwechselnde Bestromung der Elektromagnete 11, 12 wird der Anker 10 zwischen den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt. Die Bewegung des Ankers 10 wird dabei auf ein mit dem Anker 10 gekoppeltes Gas­ wechselventil 15 einer Brennkraftmaschine übertragen, welches somit abwechselnd zwischen einer Offen- und Geschlossenstellung hin- und herbewegt wird. Liegt der Anker 10 am ersten Elektromagneten 11 an, so befindet sich das Gaswechselventil 15 in seiner Geschlossenstellung, entsprechen befindet sich das Gaswechselventil 15 in seiner Offenstellung, wenn der Anker 10 am zweiten Elektromagneten 12 an­ liegt.

Die Ansteuerung der Elektromagnete 11, 12 erfolgt über Ausgangsstufen 20, 21, denen Stromsollwertsignale z01, z02 als Steuersignale zugeführt werden. Das der ersten Ausgangsstufe 20 zugeführte Stromsollwertsignal z01 gibt dabei den Sollwert des durch den ersten Elektromagneten 11 fließenden Erregerstroms I1 vor. Entspre­ chend gibt das der zweiten Ausgangsstufe 21 zugeführte Stromsollwertsignal z02 den durch den zweiten Elektromagneten 12 fließenden Erregerstrom I2 vor. Die Stromsollwertsignale z01, z02 werden von einem Motorsteuergerät 3 in Abhängig­ keit von Motorsteuerdaten generiert. Bei der Erzeugung der Stromsollwertsignale z01, z02 wird zusätzlich auch die momentane Position des Ankers 10 berücksichtig werden. Hierzu ist ein Positionsdetektor 16 vorgesehen, der ein der Position des Ankers 10 entsprechendes Positionssignal s liefert, welches dem Motorsteuergerät 3 zugeführt wird.

Während des Betriebs wird der Anker 10 nach dem Prinzip des Feder-Masse- Schwingers zwischen den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt und an die­ sen jeweils für eine durch die Stromsollwertsignale z01, z02 vorgegebene Zeit fest­ gehalten.

Wird der Anker 10 aus einer seiner beiden am ersten Elektromagneten 11 bzw. zweiten Elektromagneten 12 anliegenden Endpositionen durch Abschaltung des jeweiligen Elektromagneten 11 bzw. 12 losgelassen wird, so wird er durch die Fe­ dern 13, 14 über seine Ruhelage hinaus zu dem gegenüberliegenden Elektromagne­ ten 12 bzw. 11 beschleunigt, der nunmehr bestromt wird und somit den Anker 10 während einer Fangphase anzieht und während einer Haltephase in seiner neuen Endposition festhält.

Die Geschwindigkeit des Ankers 10, im folgenden Ankergeschwindigkeit v genannt, ändert sich in Abhängigkeit der Position des Ankers 10. Der tatsächliche Geschwin­ digkeitsverlauf v_ist(s) des Ankers 10 wird während des Öffnens des Gaswechselven­ tils 15, also im Ventilöffnungsfall während des Flugs des Ankers 10 vom ersten Elek­ tromagneten 11 zum zweiten Elektromagneten 12, mittels einer im Motorsteuerge­ rät 3 vorgesehenen Regeleinrichtung auf einen für diese Bewegungsrichtung vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf v_s(s) geregelt. In gleicher Weise kann der Ge­ schwindigkeitsverlauf des Ankers 10 auch im Ventilschließfall während des Schie­ ßens des Gaswechselventils 15 auf einen nunmehr für diese Bewegungsrichtung vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt werden.

Im folgenden werden die Regelung und die hierzu erforderlichen Mittel für den Ven­ tilöffnungsfall näher beschrieben. Fig. 2 zeigt für diesen Fall den Sollgeschwindig­ keitsverlauf v_s(s) als gewünschten Verlauf der Ankergeschwindigkeit. Der Anker 10 wird dabei entsprechend der Kurve v_s1 aus der am ersten Elektromagneten 11 an­ liegenden Position s = h zu seiner am zweiten Elektromagneten 12 anliegenden Po­ sition s = 0 bewegt.

Gemäß Fig. 3 umfaßt die im Motorsteuergerät 3 vorgesehene Regeleinrichtung 30 einen Trajektorienregler 4, dem das Positionssignal s als Eingangssignal zugeführt wird und der ein Stellsignal i_s1 als Ausgangssignal abgibt.

Der Trajektorienregler 4 umfaßt seinerseits eine Sollwertvorgabeeinrichtung 41, einen Beobachter 42, beispielsweise ein Kalman-Filter oder einen als D-Glied aus­ geführten Differenzierer, einen Subtrahierer 43, einen PD-Regler 44 sowie einen Begrenzer 45. Das Positionssignal s wird der Sollwertvorgabeeinrichtung 41 zuge­ führt, die daraus über eine Phasenkurve ein Sollgeschwindigkeitssignal v_s erzeugt. Die Phasenkurve kann dabei in Tabellenform, in Form eines Kennfeldes oder als mathematische Funktion vorgegeben sein. In Abhängigkeit von ermittelten aktuellen Betriebsparametern können dabei unterschiedliche Phasenkurven vorgegeben wer­ den. Relevante Betriebsparameter sind beispielsweise der Kurbeldrehwinkel, die Motordrehzahl, die Motorlast, die Motortemperatur, der Gasdruck, gegen den das Gaswechselventil 15 bewegt wird oder die Gastemperatur. Vorteilhafterweise wird während des Betriebs eine Adaption der Phasenkurve an aktuelle Betriebsparameter vorgenommen. Das Positionssignal s wird ferner dem Differenzierer 42 zugeführt, der daraus ein der momentanen Ankergeschwindigkeit entsprechendes Ist- Geschwindigkeitssignal v_ist erzeugt. Das Soll-Geschwindigkeitssignal v_s und Ist- Geschwindigkeitssignal v_ist werden dem Subtrahierer 43 zugeführt, der daraus ein Differenzgeschwindigkeitssignals Δv erzeugt, welches seinerseits dem PD-Glied 44 zugeführt wird, das daraus ein Differenzbeschleunigungssignal Δa erzeugt. Das PD- Glied 44 weist hierzu in einem ersten Signalzweig ein Proportionalglied 441 auf und in einem dazu parallelen zweiten Signalzweig eine Reihenschaltung aus einem weiteren Proportionalglied 442 und einem weiteren Differenzierer 443 auf. Die beiden Signalzweige werden in einem Summationsglied 444 zusammengeführt, das die Signale der beiden Signalzweige zum Differenzbeschleunigungssignal Δa summiert. Das Differenzbeschleunigungssignal Δa wird schließlich dem Begrenzer 45 zuge­ führt, der daraus das vom Trajektorienregler 4 abgegebene Stellsignal i_s1 erzeugt.

Die Regeleinrichtung 30 umfaßt ferner einen aktivierbaren, integrierend wirkenden Regler 5, dem ein Abstandssignal Δs als Eingangssignal zugeführt wird und der ein Korrektursignal i_s2 als Ausgangssignal abgibt. Das Korrektursignal i_s2 wird in einem Addierer 46 mit dem Stellsignal i_s1 zu einem Stromsollwert i_s addiert wird, welcher im vorliegenden Fall der dem zweiten Elektromagneten 12 zugeordneten Ausgangs­ stufe 21 als Stromsollwertsignal z02 zugeführt wird und im Ventilschließfall der dem ersten Elektromagneten 11 zugeordneten Ausgangsstufe 20 als Stromsollwertsignal z01 zugeführt wird.

Das Abstandssignal Δs ist ein Maß der Weglänge vom Anker 10 bis zu dem ihn fan­ genden Elektromagneten, im vorliegenden Fall bis zum zweiten Elektromagneten 12. Zur Erzeugung des Abstandssignals Δs ist ein Subtrahierer 53 vorgesehen, dem das Positionssignal s und ein der Zielposition des Ankers 10 entsprechendes Referenz­ positionssignal so als Eingangssignale zugeführt werden. Die Zielposition des Ankers 10 ist im vorliegenden Fall, also im Ventilöffnungsfall, die der Offenstellung des Gaswechselventils 15 entsprechende Ankerposition, also s₀ = 0, und im Ventil­ schließfall die der Geschlossenstellung des Gaswechselventils 15 entsprechende Ankerposition, also s₀ = h.

Der Regler 5 weist in seinem Signalpfad vorteilhafterweise ein als PI-Regler ausge­ führtes Regelglied 50 auf, denkbar ist aber auch ein als PID-Regler oder I-Regler ausgeführtes Regelglied 50. Der Regler 5 ist nur in der Endphase des Ankerflugs wirksam, d. h. er wird erst aktiviert, wenn der Abstand zwischen Anker 10 und fan­ gendem zweiten Elektromagneten 12 einen vorgegebenen Schwellwert Δx unter­ schreitet. Er weist hierzu in seinem Signalpfad einen Schalter 51 auf, der durch ei­ nen Komparator 52 in Abhängigkeit des Positionssignals s betätigt wird. Der Schal­ ter 51 ist dabei geschlossen, wenn das Abstandssignal Δs kleiner als der Schwell­ wert Δx ist, und er ist offen, wenn das Abstandssignal Δs größer als der Schwellwert Δx ist, d. h. der Schalter 51 wird geschlossen, wenn das Positionssignal s im Ventilöffnungsfall einen Wert x = Δx unterschreitet und im Ventilschließfall einen Wert x = h - Δx überschreitet.

Mit dem Trajektorienregler 4 wird durch die Regelung des Bewegungsverlaufs des Ankers 10 auch die Flugzeit des Ankers 10, d. h. die vom Anker 10 für seinen Flug­ benötigte Zeit, geregelt. Eine dem Trajektorienregler 4 inhärente Regelabweichung wird dabei in der Endphase des Ankerflugs aufgrund der integrierenden Wirkung des dann zugeschalteten Reglers 5 auf Null reduziert. Die erfindungsgemäße Kombinati­ on des Trajektorienreglers 4 mit dem integrierend wirkenden Regler 5 ermöglicht somit sowohl die Regelung der Flugzeit des Ankers 10 als auch die Regelung der Ankergeschwindigkeit beim Auftreffen des Ankers 10 auf den ihn fangenden Elek­ tromagneten.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators (1), der einen er­ sten Elektromagneten (11) und einen diesem gegenüberliegenden zweiten Elektro­ magneten (12) sowie einen zwischen den Elektromagneten (11, 12) gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn (13, 14) hin- und herbbewegbaren Anker (10) aufweist, bei dem ein der Position des Ankers (10) entsprechendes Positionssignal (s) gebildet wird und die Geschwindigkeit des Ankers während seines Flugs vom ersten Elektromagneten (11) zum zweiten Elektromagneten (12) auf einen von der Position des Ankers (10) abhängigen Sollgeschwindigkeitsverlauf (v_s) geregelt wird, wobei die Regelung mit einem Trajektorienregler (4) durchgeführt wird, der aus dem Positionssignal (s) ein Stellsignal (i_s1) zur Steuerung eines durch den zweiten Elek­ tromagneten (12) fließenden Fangstroms (12) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen vorgegebenen Schwellwert (Δx) unterschreitenden Abstand zwi­ schen dem Anker (10) und zweiten Elektromagneten (12) ein integrierend wirkender Regler (5) aktiviert wird, der im aktiven Zustand aus einem dem Abstand zwischen Anker (10) und zweiten Elektromagneten (12) entsprechenden Abstandssignal (Δs) ein Korrektursignal (i_s2) erzeugt, das zur Bildung eines Stromsollwerts (i_s) für den durch den zweiten Elektromagneten (12) fließenden Fangstrom (12) dem Stellsignal (i_s1) überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein I-Regler, ein PI- Regler oder ein PID-Regler zur Realisierung des integrierend wirkenden Reglers (5) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Trajektorien­ regler (4) das Positionssignal (s) einer Sollwertvorgabeeinrichtung (41) zur Erzeu­ gung eines Soll-Geschwindigkeitssignals (v_s) und einem Beobachter (42) zur Erzeu­ gung eines der momentanen Geschwindigkeit des Ankers entsprechenden Ist- Geschwindigkeitssignals (v_ist) zugeführt wird, das Soll-Geschwindigkeitssignal (v_s) und Ist-Geschwindigkeitssignal (v_ist) einem Subtrahierer (43) zur Erzeugung eines Differenzgeschwindigkeitssignals (Δv) zugeführt wird, das Differenzgeschwindigkeitssignal (Δv) einem PD-Regler (44) zur Erzeugung eines Differenzbeschleuni­ gungssignals (Δa) zugeführt wird und das Differenzbeschleunigungssignal (Δa) einem Begrenzer (45) zur Erzeugung des Steilsignals (i_s1) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Ankers (10) während seines Flugs vom zweiten Elektroma­ gneten (12) zum ersten Elektromagneten (11) in gleicher Weise geregelt wird wie während seines Flugs vom ersten Elektromagneten (11) zum zweiten Elektromagne­ ten (12).

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche zur Betätigung eines mit dem Anker (10) gekoppelten Gaswechselventils (15) einer Brennkraftma­ schine.