DE10034877C1 - Verfahren zur Anpassung einer Sensorkennlinie eines Positionssensors - Google Patents

Abstract

Elektromechanische Antriebe für Ein-/Auslaßventile erfordern einen in der Ventilbewegung messenden Sensor. Die Anpassung der Kennlinie des Sensors auf die Einbauposition des Ventils in die Brennkraftmaschine wird erreicht, indem eine Schwingung des Ventils mit einer Referenzschwingung verglichen wird. Die Sensorkennlinie, die eine gute Approximation der gemessenen Schwingung an die Referenzschwingung liefert, wird als die optimale Sensorkennlinie verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung einer Sen­ sorkennlinie eines Positionssensors bei einem elektromechani­ schen Ein- und Auslaßventil in einer Brennkraftmaschine, wo­ bei eine Auswerteelektronik über die Kennlinie einem Sensor­ signal einen Ventilhub zuordnet.

Elektromechanische Antriebe für Ein- und Auslaßventile von Brennkraftmaschinen sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwel­ lenbetätigten Ventilen werden diese elektromechanisch betä­ tigten Ventile zum Öffnen und Schließen von einem Steuergerät in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert. Für einen lärm- und verschleißarmen Betrieb der Ventilbewe­ gung muß dessen periodische Hubbewegung ständig gemessen wer­ den. Der Ventilhub beträgt üblicherweise 8 mm, wobei der Hub ungefähr auf 1/100 mm genau gemessen wird, um eine effektive Ventilsteuerung zu ermöglichen.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Ventiltriebsysteme bekannt geworden, die über Meßsensoren den Ventilhub messen.

Aus EP 0 493 634 A1 ist ein optischer Lagegeber bekannt, um die Stellung einer Ventilscheibe zu erkennen.

Eine bewährte Ausführungsform eines Meßaufnehmers ist ein magnetoresistives Giant-MR-Schichtsystem, wie es aus WO 94/17426 der Anmelderin bekannt geworden ist. Der Meßaufneh­ mer erzeugt dabei ein Signal, das die Position bzw. den Win­ kel der Magnetfeldlinien oder die Geschwindigkeit eines Per­ manentmagneten und somit des Ventils wiedergibt. Durch die Anordnung des Permanentmagneten am Ventilschaft und die An­ bringung des magnetfeldsensitiven Meßaufnehmers im Gehäuse des Aktuators werden die Abmessungen des elektromagnetischen Aktuators nicht entscheidend vergrößert. Dabei kann der Per­ manentmagnet vorzugsweise an, einem Ventilteller befestigt werden, der zur Abstützung einer Ventilfeder ohnehin vorgese­ hen ist. Zur Vermeidung eines Meßfehlers durch Rotation des Federtellers kann dieser geführt sein oder ein ringförmiger Permanentmagnet verwendet werden. Auch kann der Permanentmag­ net an einem Ausleger eines verdrehsicheren Aktuatorstößels angeordnet sein.

Unabhängig von der Art des verwendeten Meßaufnehmers tritt das Problem auf, daß aufgrund von Toleranzen, wie beispiels­ weise mechanische Einbautoleranzen, Positionierung des Sen­ sorelements, Gehäusetoleranzen und dergleichen, es zu Abwei­ chungen der realen Sensorkennlinie von einer idealen Sensor­ kennlinie (Typkennlinie) kommt. Die reale Sensorkennlinie be­ schreibt hierbei den Zusammenhang zwischen dem realen Ventil­ hub und dem aufgenommenen Meßsignal bei einem fertig einge­ bauten Ventil. Die ideale Sensorkennlinie ist unabhängig von dem Einbauvorzugsweise in einem Ventilsteuergerät abgelegt und stellt den Zusammenhang zwischen Meßsignal und Ventilhub dar. Eine Abweichung zwischen den beiden Sensorkennlinien aufgrund der obengenannten Toleranzen kann zu einer ungenau­ en Auswertung des Sensorsignals führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kennlinie ei­ nes eingebauten Positionssensors in einfacher und zuverlässi­ ger Weise an die Einbauposition anzupassen und entsprechend einzustellen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.

Zur Einstellung des Positionssensors wird bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren in einem ersten Verfahrensschritt das Ventil in eine Schwingung entlang seiner Betätigungsrichtung versetzt, und die zugehörigen Sensorsignale werden aufgezeichnet. Das Ein- oder Auslaßventil in einer Brennkraftmaschine ist federvorge­ spannt und wird bei Brennkraftmaschinen mit elektromechani­ schem Ventiltrieb in der Regel über Elektromagnete gestellt. Um dieses in eine Schwingung zu versetzen, wird das Ventil in eine Position unter Einsatz der Elektromagnete ausgelenkt and schwingt nach Abschalten der Elektromagnete unter Einwirkung der Federkraft. Während dieser Schwingung erfaßt der Positi­ onssensor die Sensorsignale und zeichnet deren zeitlichen Verlauf auf. Für mehrere Sensorkennlinien wird nachfolgend die Hubposition des Ventils für die erfaßten Sensorsignale bestimmt. Hierbei erfolgt eine Zuordnung der gemessenen Sen­ sorsignale zu den Hubpositionen, so daß die zeitliche Ände­ rung der Hubpositionen für eine Sensorkennlinie vorliegt. Je nach verwendeter Sensorkennlinie ergibt sich ein unterschied­ licher, zeitlicher Verlauf der Hubpositionen des Ventils. Die so bestimmten Hubpositionen werden mit denen einer Referenz­ schwingung verglichen, und diejenige Sensorkennlinie wird ausge­ wählt, deren Abweichung von der Referenzschwingung minimal ist. Diesem Schritt liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Ventil unter Einfluß der Ventilfedern im wesentlichen die Re­ ferenzschwingung ausführt. Der allgemeine Verlauf der Refe­ renzschwingung ist bekannt. Indem der zeitliche Verlauf der Hubposition bestimmt wird, kann der gemessene Schwingungsver­ lauf der Hubposition mit der Referenzschwingung verglichen werden. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, daß aus einer vorbestimmten Schar von Sensorkennlinien die Kennlinie ausge­ wählt wird, für die der Meßsensor am besten die Referenz­ schwingung wiedergibt. Laborversuche, bei denen die tatsäch­ liche Position des Ventils unabhängig von dem Meßsensor des Ventils erfaßt wurde, haben gezeigt, daß durch den Vergleich mit der Referenzschwingung eine überaus genaue Einstellung der Sensorkennlinie möglich ist.

In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens dient eine freie, geschwindigkeitsproportional gedämpfte Schwingung als Referenzschwingung zur Auswahl der Sensorkenn­ linie. Der Verlauf der freien, geschwindigkeitsproportional gedämpften Schwingung besteht aus einer harmonischen Sinus- Schwingung mit einer Amplitude, deren Wert mit der Zeit expo­ nentiell abnimmt. Da die genauen Parameter, wie beispielswei­ se Amplitude, Dämpfungskonstante, Eigenfrequenz und gegebe­ nenfalls Phasenwinkel, für die Referenzschwingung nicht be­ kannt sind, werden diese Parameter zunächst aus den Hubposi­ tionen approximiert. Mit den approximierten Parametern wird der zeitliche Verlauf der Referenzschwingung ermittelt und mit dem zeitlichen Verlauf der Hubposition verglichen, um ei­ ne angepaßte Sensorkennlinie auszuwählen.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ergibt sich die Schar von Sensorkennlinien durch eine Verschiebung der Hubposition bei der Zuordnung der Meßsignale zur Hubposition. Die so erzeugte Schar von Sensorkennlinien berücksichtigt die unterschiedlichen, möglichen, räumlichen Lagen des mit dem Ven­ tilschaft bewegten Permantmagneten und des mit dem Gehäuse des Aktuators verbundenen Sensors zueinander, vor allem ihre Orientierung zueinander. Hauptursache hierfür sind Ungenauig­ keiten bei der Montage des Sensors und des Gebermagnets. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, daß zur Einstellung der Sensor­ kennlinie keine absolute Messung der Einbauposition des Ven­ tils erfolgen muß, sondern die Messung des Verlaufs des Sen­ sorsignals während der Schwingung ausreicht.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Abweichung zwi­ schen dem für die Sensorkennlinie bestimmten Verlauf der Hub­ positionen und dem Verlauf der Referenzschwingung als Quadrat der Differenz der Werte zu bestimmen. Selbstverständlich kön­ nen auch andere Maße für den Abstand zwischen tatsächlich ge­ messener Schwingung und Referenzschwingung verwendet werden. In Laborversuchen hat sich der vergleichsweise einfach zu be­ rechnende, quadratische Fehler als ein gutes Maß für die Aus­ wahl der Sensorkennlinie erwiesen.

In einer bevorzugten Weiterführung des Verfahrens wird die Abweichung der Hubposition insbesondere im Bereich der maxi­ malen und minimalen Hubposition betrachtet. Wird also das Ventil um 8 mm gehoben, so wird zur Bewertung der Sensorkenn­ linie beispielsweise der Hubbereich von 0 mm bis 2 mm und von 6 mm bis 8 mm mit der Referenzenschwingung verglichen. Durch diese Beschränkung des Vergleichs auf den maximalen und den minimalen Hub ist eine noch genauere Auswahl der Sensorkenn­ linie möglich.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die zu verwendende Sensorkennlinie nach dem Einbau des Ventils aus­ gewählt und für den nachfolgenden Betrieb verwendet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Positionssensors für ein elektromechanisches Ventil, dessen Sensorkenn­ linie bestimmt wird,

Fig. 2 zeigt eine geschwindigkeitsproportional gedämpfte, harmonische Schwingung mit der Einhüllenden der Ampli­ tude,

Fig. 3 zeigt den Fehler zwischen Referenzschwingung und ge­ messener Schwingung, abhängig von einer Verschiebung entlang der Sensorachse, und

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Einstellen des Positions­ sensors.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Zylinder 10 mit einem Ventil 12. Das Ventil 12 ist schematisch darge­ stellt mit einem Ventilteller 14, einem Ventilschaft 16 und einem Positionssensor 18. Das Ventil 12 entspricht einem Stellgerät, das einen Stellantrieb und ein Stellglied um­ faßt, das als Gaswechselventil ausgebildet ist und einen Schaft und einen Teller hat. Der Stellantrieb hat ein Gehäu­ se, in dem ein erster und ein zweiter Elektromagnet angeord­ net sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern, in den in einer ringförmigen Nut eine erste Spule eingebettet ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern, in den in einer weiteren ringförmigen Nut eine zweite Spule einge­ bettet ist. Ein Anker ist vorgesehen, dessen Ankerplatte in dem Gehäuse beweglich zwischen einer ersten Anlagefläche des ersten Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche des zweiten Elektromagneten angeordnet ist. Der Anker umfaßt des Weiteren einen Ankerschaft, der durch Ausnehmungen des ersten und zweiten Kerns geführt ist und der mit dem Schaft des Stellglieds mechanisch koppelbar ist. Ein erstes Rückstell­ mittel und ein zweites Rückstellmittel spannen die Ankerplat­ te in eine vorgegebene Ruheposition vor. Der Positionssensor 18 kann beispielsweise als ein GMR-Sensor ausgebildet sein, der die Position des Ventilschaftes 16 relativ zu einem Me­ ßaufnehmer (nicht dargestellt) bestimmt.

Das von dem Positionssensor 18 gemessene Signal 20 wird an eine schematisch dargestellte Auswerteeinheit 22 weitergelei­ tet. In der Auswerteeinheit 22, die selbstverständlich auch integral mit einem Ventilsteuergerät ausgebildet sein kann, wird aus den erfaßten Meßsignalen die physikalische Hubposi­ tion des Ventilschafts 16 bestimmt. Hierzu wird eine in die Auswerteeinheit geladene und dort gespeicherte Kennlinie ver­ wendet. Die Kennlinie (nicht dargestellt) ordnet einem Meß­ signal 20 eine Ortsposition zu.

In einem ersten Schritt wird das Ventil 12 ausgelenkt und schwingt ohne äußere Anregung unter Einwirkung seiner Federn. Die dabei auftretenden Meßsignale werden von der ersten Ver­ arbeitungseinheit 22 an eine zweite Verarbeitungseinheit 24 weitergeleitet. Die zweite Verarbeitungseinheit 24 führt eine Initialisierung der Sensorkennlinie durch. Die Sensorkennlinie wird dabei so ermittelt, daß für eine bestimmte Sensor­ kennlinie die Hubpositionen des Ventils abhängig von der Zeit ermittelt werden. Die so ermittelten Positionen werden mit einer linear gedämpften, harmonischen Schwingung verglichen, wie sie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Die Amplitu­ de der harmonischen Schwingung mit der Frequenz W wird dabei mit dem Faktor exp(-B1t) gedämpft.

Der Vergleich läuft im Einzelnen wie folgt ab: Zur Bestimmung der optimalen Verschiebung wird die Sensorkennlinie in einem Intervall verschoben, d. h. die Zuordnung eines Meßsignals zu einer realen Hubposition wird in diesem Intervall verschoben. Entspricht bei einer ersten Kennlinie dem Signalwert I₁ die Hubposition h₁, so wird nach der Verschiebung um h₀ demselben Signalwert I₁ die Hubposition h₁ + h₀ zugeordnet. Aus den ge­ messenen Signalen wird unter Verwendung der verschobenen Sen­ sorkennlinien der Hubverlauf berechnet. Der berechnete Hub­ verlauf wird zur Approximation der oben genannten, gedämpften Schwingung verwendet. Zur Bewertung der Sensorkennlinie wird der mittlere quadratische Fehler der Position und ihrer Ap­ proximation einer linear gedämpften Schwingung berechnet. In Fig. 3 ist für mehrere Schwingungsdurchgänge der mittlere quadratische Fehler abhängig von der Verschiebung im Bereich -50 bis 50 jeweils in Einheiten von 5 µm aufgetragen. Die in Fig. 3 wiedergegebenen Meßergebnisse zeigen deutlich, daß für das eingebaute Ventil der mittlere quadratische Fehler ein Minimum im Bereich einer Verschiebung von ungefähr 25 Einheiten annimmt. Hierbei ist nicht wesentlich, daß der mittlere quadratische Fehler den Wert Null erreicht, sondern lediglich ein Minimum für eine bestimmte Verschiebung an­ nimmt.

Weiter verbessert werden kann dieses Verfahren, indem zur Be­ rechnung des Fehlers die Hubwerte in einem mittleren Inter­ vall, beispielsweise 2 mm bis 6 mm, nicht verwendet werden. Messungen haben gezeigt, daß auch in diesem Fall die nach der Methode des mittleren quadratischen Fehlers ermittelte Verschiebung sehr gut die Einbauposition des Ventils widerspie­ gelt. Hat die zweite Verarbeitungseinheit 24 die optimale Sensorkennlinie ermittelt, wird diese als Signal 26 zurück an die erste Verarbeitungseinheit geleitet, wo sie für die nach­ folgende Steuerung des Ventils 12 zur Verfügung steht. Es ist möglich, die zweite Verarbeitungseinheit nur zur Bestimmung der optimalen Sensorkennlinie mit der ersten Verarbeitungs­ einheit 22 zu verbinden, d. h. sie beispielsweise als ein se­ parates Handgerät auszubilden, das lediglich zur Einstellung der Kennlinie mit dem Meßsensor verbunden wird. So kann bei­ spielsweise eine Ermittlung der optimalen Sensorkennlinie werkseitig nach Beendigung des Ventileinbaus erfolgen. Auch ist es möglich, die Verarbeitungseinheiten 22 und 24 nicht baulich zu trennen, sondern beide Funktionen in einem gemeinsa­ men Steuergerät vorzusehen.

Im Folgenden wird noch beispielhaft der Ablauf eines Pro­ gramms zum Einstellen des Positionssensors beschrieben (Fig. 4).

In einem ersten Schritt 50 wird das Programm gestartet. In einem Schritt S1 wird das Ventil in eine Schwingung ent­ lang seiner Betätigungsrichtung versetzt, und die zugehörigen Sensorsignale des Positionssensors werden erfaßt.

In einem Schritt S2 wird eine Referenzschwingung bestimmt, wobei als Referenzschwingung eine freie, geschwindigkeitspro­ portional gedämpfte Schwingung dient, deren Verlauf aus den Hubpositionen approximiert wird (z. B. Hub-Endpositionen). In einem Schritt S3 wird eine von mehreren Sensorkennlinien aus­ gewählt, und die Hubpositionen des Ventils werden für die er­ faßten Sensorsignale bestimmt.

In einem Schritt S4 werden die in dem Schritt S3 ermittelten Hubpositionen mit denen einer Referenzschwingung verglichen, wobei bevorzugt dazu das Quadrat der Abweichung zwischen dem für die Kennlinie bestimmten Hubverlauf der Hubposition und dem Verlauf der Referenzschwingung bestimmt wird.

In einem Schritt S5 wird geprüft, ob eine vorgegebene Anzahl an Kennlinien bewertet worden ist, vorzugsweise alle Sensorkenn­ linien. Ist dies nicht der Fall, so wird in dem Schritt S3 eine weitere Kennlinie ausgewählt, und die Schritte S4 und S5 werden erneut durchlaufen. Ist die Bedingung des Schrittes S5 jedoch erfüllt, so wird in einem Schritt S6 diejenige Sensorkennli­ nie ausgewählt, deren Abweichung von der Referenzschwingung minimal ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Einstellung eines Positionssensors (18) bei einem elektromagnetischen Ein- oder Auslaßventil (12) in einer Brennkraftmaschine, wobei eine Auswerteelektronik (22, 24) über eine Kennlinie einem Sensorsignal (20) einen Ventilhub zuord­ net, mit den folgenden Verfahrensschritten:

• - das Ventil (12) wird in eine Schwingung entlang seiner Betä­ tigungsrichtung versetzt, und die zugehörigen Sensorsig­ nale (20) des Positionssensors (18) werden erfaßt (22, 24),
• - für mehrere Sensorkennlinien aus einer Schar von Kenn­ linien werden die Hubpositionen des Ventils (12) für die er­ faßten Sensorsignale (20) bestimmt,
• - die Hubpositionen werden mit denen einer Referenz­ schwingung verglichen und diejenige Sensorkennlinie ausgewählt, deren Abweichung von der Referenzschwingung minimal ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzschwingung eine freie, geschwindigkeitsproportional gedämpfte Schwin­ gung dient, deren Verlauf aus den Hubpositionen approxi­ miert wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schar von Sensor­ kennlinien sich durch eine Verschiebung der Hubposition in der Zuordnung der Meßsignale zur Hubposition ergibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vergleich zwischen dem für die Kennlinie bestimmten Verlauf der Hubposition und dem Verlauf der Referenz­ schwingung die Abweichung als Quadrat der Differenz der Werte bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung zwischen dem Verlauf der Hubposition und der Referenzschwingung in der Umgebung der maximalen und mi­ nimalen Hubpositionen stärker als im übrigen Verlauf ge­ wichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung nur in der Umgebung der maximalen und minimalen Hubposition be­ stimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verwendende Kennlinie nach dem Einbau des Ventils (12) in die Brennkraftmaschine aus der Schar der Kennlinien ausge­ wählt und in einem Ventilsteuergerät abgelegt wird.