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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen
Aktuators gemäß dem Patentanspruch
1 sowie die Verwendung dieses Verfahrens.
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Aus
der
EP 0 717 172 A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators bekannt,
bei dem ein auf ein Gaswechselventil wirkender Anker durch Magnetkraft
zwischen einem ersten Elektromagneten und einem diesem gegenüberliegenden
zweiten Elektromagneten hin- und herbewegt wird und bei dem die
Position des Ankers erfaßt
wird und die Bestromung der Elektromagnete in Abhängigkeit
der Position des Ankers erfolgt. Die Bewegung des Ankers wird im
folgenden als Flug bezeichnet.
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In
der nicht vorveröffentlichten
DE 199 02 664 A1 wird
ein elektromagnetischer Aktuator beschrieben, bei dem die Position
des Ankers mittels eines Trajektorienreglers (Sliding-Mode-Regler)
geregelt wird. Hierbei wird der Bewegungsverlauf des Ankers, d.
h. der Verlauf der Geschwindigkeit, mit der der Anker sich während seines
Flugs von dem einen Elektromagneten zum gegenüberliegenden Elektromagneten
bewegt, auf einen für
die momentanen Betriebsbedingungen optimalen vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf
geregelt.
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Als
nachteilig erweist sich hierbei, daß die Geschwindigkeit, mit
der der Anker auf den jeweiligen Elektromagneten auftrifft, trotz
der Regelung von Störgrößen, beispielsweise
von Fertigungstoleranzen, Verschleiß, Temperatureinflüssen oder
Reibungsänderungen,
abhängig
ist und während
des Betriebs stark variieren kann. Insbesondere besteht die Gefahr,
daß der
Anker den Elektromagneten, auf den er sich zubewegt, nicht erreicht
und vor dem Elektromagneten in einer von diesem beabstandeten schwebenden
Position festgehalten wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, das eine hohe Betriebssicherheit
gewährleistet
und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von Störgrößen oder
Betriebsparametern aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen.
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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 Trajektorienregler,
der aus dem Positionssignal ein erstes Stellsignal erzeugt, durch
das ein durch den zweiten Elektromagneten fließender Fangstrom gesteuert
wird. Sobald der Abstand zwischen dem Anker und dem zweiten Elektromagneten
einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, wird ein integrierend
wirkender Regler aktiviert. Dieser Regler erzeugt im aktiven Zustand
aus einem Abstandssignal, das dem Abstand zwischen dem Anker und
dem den Anker fangenden zweiten Elektromagneten entspricht, ein
Korrektursignal, das zur Bildung eines Stromsollwerts für den durch
den zweiten Elektromagneten fließenden Fangstrom dem vom Trajektorienregler
erzeugten Stellsignal überlagert
wird.
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Vorzugsweise
wird ein PI-Regler, ein PID-Regler oder ein I-Regler zur Realisierung
des integrierend wirkenden Reglers verwendet.
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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 Ankers entsprechendes
Ist-Geschwindigkeitssignal erzeugt, aus dem Soll-Geschwindigkeitssignal und Ist-Geschwindigkeitssignal
durch Subtraktion ein Differenzgeschwindigkeitssignal gebildet, aus
dem Differenzgeschwindigkeitssignal mittels eines PD-Reglers ein
Differenzbeschleunigungssignal erzeugt und aus dem Dif ferenzbeschleunigungssignal
durch Signalbegrenzung das vom Trajektorienregler als Ausgangssignal
abgegebene Stellsignal erzeugt.
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Vorzugsweise
wird der Bewegungsverlauf des Ankers sowohl während seines Flugs vom ersten zum
zweiten Elektromagneten als auch vom zweiten zum ersten Elektromagneten
geregelt, wobei die Regelung in beiden Fällen in gleicher Weise erfolgt.
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Das
Verfahren eignet sich bestens zum elektromagnetischen Steuern von
Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Anker und mit Mitteln
zum Regeln des Bewegungsverlaufs des Ankers,
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2 ein Weg-Geschwindigkeits-Diagramm als
Sollgeschwindigkeitsverlauf des Ankers aus 1,
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3 eine Regeleinrichtung
zur Regelung des Geschwindigkeitsverlaufs des Ankers aus 1.
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Gemäß 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 Erregerspule 110 bzw. 120. Bei stromlosen
Elektromagneten 11, 12, d. h. bei unbestromten
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 Gaswechselventil 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 anliegt.
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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. Entsprechend 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
Abhängigkeit
von Motorsteuerdaten generiert. Bei der Erzeugung der Stromsollwertsignale
z01, z02 wird zusätzlich
auch die momentane Position des Ankers 10 berücksichtig,
Hierzu ist ein Positionsdetektor 16 vorgesehen, der ein
der Position des Ankers 10 entsprechendes Positionssignal
s liefert, welches dem Motorsteuergerät 3 zugeführt wird.
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Während des
Betriebs wird der Anker 10 nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers zwischen
den Elektromagneten 11, 12 hin- und herbewegt
und an diesen jeweils für
eine durch die Stromsollwertsignale z01, z02 vorgegebene Zeit festgehalten.
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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,
so wird er durch die Federn 13, 14 über seine
Ruhelage hinaus zu dem gegenüberliegenden
Elektromagneten 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.
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Die
Geschwindigkeit des Ankers 10, im folgenden Ankergeschwindigkeit
v genannt, ändert
sich in Abhängigkeit
der Position des Ankers 10. Der tatsächliche Geschwindigkeitsverlauf
vist(s) des Ankers 10 wird während des Öffnens des
Gaswechselventils 15, also im Ventilöffnungsfall während des
Flugs des Ankers 10 vom ersten Elektromagneten 11 zum
zweiten Elektromagneten 12, mittels einer im Motorsteuergerät 3 vorgesehenen
Regeleinrichtung auf einen für
diese Bewegungsrichtung vorge gebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf
vs(s) geregelt. In gleicher Weise kann der
Geschwindigkeitsverlauf des Ankers 10 auch im Ventilschließfall während des
Schließens des
Gaswechselventils 15 auf einen nunmehr für diese
Bewegungsrichtung vorgegebenen Sollgeschwindigkeitsverlauf geregelt
werden.
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Im
folgenden werden die Regelung und die hierzu erforderlichen Mittel
für den
Ventilöffnungsfall näher beschrieben. 2 zeigt für diesen
Fall den Sollgeschwindigkeitsverlauf vs(s)
als gewünschten Verlauf
der Ankergeschwindigkeit. Der Anker 10 wird dabei entsprechend
der Kurve vs1 aus der am ersten Elektromagneten 11 anliegenden
Position s = h zu seiner am zweiten Elektromagneten 12 anliegenden Position
s = 0 bewegt.
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Gemäß 3 umfaßt die im Motorsteuergerät 3 vorgesehene
Regeleinrichtung 30 einen Trajektorienregler 4,
dem das Positionssignal s als Eingangssignal zugeführt wird
und der ein Stellsignal is1 als Ausgangssignal
abgibt.
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Der
Trajektorienregler 4 umfaßt seinerseits eine Sollwertvorgabeeinrichtung 41,
einen Beobachter 42, beispielsweise ein Kalman-Filter oder
einen als D-Glied ausgeführten
Differenzierer, einen Subtrahierer 43, einen PD-Regler 44 sowie
einen Begrenzer 45. Das Positionssignal s wird der Sollwertvorgabeeinrichtung 41 zugeführt, die
daraus über eine
Phasenkurve ein Sollgeschwindigkeitssignal vs 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 werden. 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
vist erzeugt. Das Soll-Geschwindigkeitssignal
vs und das Ist-Geschwindigkeitssignal vist 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 weite ren 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 zugeführt,
der daraus das vom Trajektorienregler 4 abgegebene Stellsignal
is1 erzeugt.
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Die
Regeleinrichtung 30 umfaßt ferner einen aktivierbaren,
integrierend wirkenden Regler 5, dem ein Abstandssignal Δs als Eingangssignal
zugeführt wird
und der ein Korrektursignal ist als Ausgangssignal abgibt. Das Korrektursignal
ist wird in einem Addierer 46 mit dem Stellsignal is1 zu einem Stromsollwert is addiert
wird, welcher im vorliegenden Fall der dem zweiten Elektromagneten 12 zugeordneten
Ausgangsstufe 21 als Stromsollwertsignal z02 zugeführt wird
und im Ventilschließfall
der dem ersten Elektromagneten 11 zugeordneten Ausgangsstufe 20 als Stromsollwertsignal
z01 zugeführt
wird.
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Das
Abstandssignal Δs
ist ein Maß der
Weglänge
vom Anker 10 bis zu dem ihn fangenden 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
Referenzpositionssignal 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 Ventilschließfall die
der Geschlossenstellung des Gaswechselventils 15 entsprechende
Ankerposition, also s0 = h.
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Der
Regler 5 weist in seinem Signalpfad vorteilhafterweise
ein als PI-Regler ausgeführtes
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 fangendem zweiten Elektromagneten 12 einen
vorgegebenen Schwellwert Δx
unterschreitet. Er weist hierzu in seinem Signalpfad einen Schalter 51 auf,
der durch einen Komparator 52 in Abhängigkeit des Positionssignals
s betätigt
wird. Der Schalter 51 ist dabei geschlossen, wenn das Abstandssignal Δs kleiner
als der Schwellwert 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 Venti löffnungsfall
einen Wert x = Δx
unterschreitet und im Ventilschließfall einen Wert x = h – Δx überschreitet.
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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 Flugbenötigte 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 Kombination
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 Elektromagneten.