DE102008001397A1

DE102008001397A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors

Info

Publication number: DE102008001397A1
Application number: DE200810001397
Authority: DE
Inventors: Peter Feuerstack; Holger Rapp; Joachim Fetzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (10), der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule (11) und mit einem relativ zu der Magnetspule (11) bewegbaren und mit der Magnetspule (11) zusammenwirkenden Magnetanker (12) aufweist. Erfindungsgemäß ist für mehrere mögliche Positionen (h) des Magnetankers (12) jeweils ein Zusammenhang (KF) zwischen einem mit der Magnetspule (11) verketteten Fluss $I1 des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) gespeichert, aus einer an der Magnetspule (11) anliegenden Spannung (U) und aus dem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) wird der Momentanwert $I2 des verketteten Flusses $I3 ermittelt, und aus dem gespeicherten Zusammenhang (KF) wird unter Kenntnis des Stroms (I) und des Momentanwerts $I4 des verketteten Flusses $I5 die momentane Position (hm) des Magnetankers (12) ermittelt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors, der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule und mit einem relativ zu der Magnetspule bewegbaren und mit der Magnetspule zusammenwirkenden Magnetanker aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen elektromagnetischen Aktors.
Ein Aktor und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art sind bereits aus der EP 1 069 284 A2 bekannt. Das bekannte Verfahren sieht die Auswertung eines aufwändigen Rechenmodells vor, um eine Induktivität des elektromagnetischen Aktors und hieraus Informationen über eine Position des Magnetankers zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und einen elektromagnetischen Aktor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine vereinfachte Ermittlung einer momentanen Position des Magnetankers möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für mehrere mögliche Positionen des Magnetankers jeweils ein Zusammenhang zwischen einem mit der Magnetspule verketteten Fluss des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule fließenden Strom gespeichert ist, dass aus einer an der Magnetspule anliegenden Spannung und aus dem durch die Magnetspule fließenden Strom der Momentanwert des verketteten Flusses ermittelt wird, und dass aus dem gespeicherten Zusammenhang unter Kenntnis des Stroms und des Momentanwerts des verketteten Flusses die momentante Position des Magnetankers ermittelt wird.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Zusammenhangs zwischen dem verketteten Fluss des Magnetkreises und des durch die Magnetspule fließenden Stroms und der Position des Magnetankers ist vorteilhaft eine besonders einfache Ermittlung der Position des Magnetankers möglich. Eine besonders effiziente Ermittlung der Position des Magnetankers ist einer vorteilhaften Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zufolge dann gegeben, wenn der vorstehend beschriebene Zusammenhang in Form eines Kennfelds vorhanden und beispielsweise in einem vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher eines den elektromagnetischen Aktor steuernden Steuergeräts gespeichert ist.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften erfindungsgemäßen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Momentanwert des verketteten Flusses unter Verwendung der Gleichung Ψm = ∫(U – RI)dtermittelt wird, wobei U die an der Magnetspule anliegende Spannung ist, wobei I der durch die Magnetspule fließende Strom ist, und wobei R ein Gleichstromwiderstand der Magnetspule ist. Der Gleichstromwiderstand R der Magnetspule kann in an sich bekannter Weise aus den messtechnisch erfassbaren Größen Strom, Spannung in einem stationären Zustand des Aktors ermittelt werden oder auch applizierbar ausgelegt sein.
Einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zufolge wird es vorteilhaft dazu verwendet, einen Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt und/oder eine Öffnungs- und/oder Schließgeschwindigkeit und/oder weitere Betriebsgrößen eines den elektromagnetischen Aktor enthaltenden Ventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils, zu ermitteln. Insbesondere Kraftstoffeinspritzventile für Hochdruck-Kraftstoffsysteme, bei denen Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, erfordern bei der Verwendung von Magnetventilen als Aktoren einen komplexen Spannungs- bzw. Stromverlauf bei der Ansteuerung, der durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur z. B. zu Diagnosezwecken überprüft, sondern auch eingeregelt werden kann. Hierbei ist vorteilhaft auch eine Selbstadaption der Regelparameter möglich.
Durch die erfindungsgemäß ermöglichte Regelung der Bewegung des Aktors ist es ferner vorteilhaft möglich, eine durch ein derartiges Einspritzventil eingespritzte Kraftstoffmenge zu regeln, beispielsweise indem eine Einspritzdauer angepasst wird.
Da das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eine Bestimmung der Position des Magnetankers über dessen gesamten Bewegungsbereich ermöglicht, kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren auch dazu verwendet werden, Ventile beziehungsweise deren elektromagnetische Aktoren in einem ballistischen Teilhubbetrieb geregelt anzusteuern.
Insgesamt können durch die erfindungsgemäße Regelung des Betriebs auch Toleranzen der verwendeten Ventile eliminiert werden und beispielsweise verschiedene Betriebsgrößen wie z. B. Ventilschließzeitpunkte zwischen mehreren unterschiedlichen Ventilen gleichgestellt werden. Hub-zu-Hub-Streuungen können dabei ebenso ausgeglichen werden wie eine kontinuierliche Ventilhubdrift über die gesamte Lebensdauer eines Kraftstoffeinspritzventils oder dergleichen.
Besonders vorteilhaft ist darüber hinaus auch eine Eliminierung der Sensitivität der Öffnungs- und Schließverzugszeit gegenüber äußeren Parametern wie beispielsweise einer Umgebungstemperatur, einem Kraftstoffdruck oder auch einer Ansteuerspannung des Aktors erreichbar.
Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eine umfassende Diagnose des Aktors beziehungsweise des den Aktor enthaftenden Ventils, weil beispielsweise der gesamte zeitliche Verlauf der Position des Magnetankers überwacht und/oder mit vorgebbaren Sollwerten oder dergleichen verglichen werden kann. Hierdurch lassen sich insbesondere auch verschlissene Ventilsitze erkennen.
Ebenfalls ist es unter Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens möglich, die Geräuschemissionen bei dem Betrieb elektromagnetischer Aktoren beziehungsweise hierdurch betätigter Ventile zu verringern, indem die bewegten Teile vor einem Aufschlagen auf eine Endposition definierende Elemente entsprechend abgebremst werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 angegeben.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
1 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 schematisch ein Funktionsdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für einen elektromagnetischen Aktor 10, wie er in 2 beispielhaft durch eine Magnetspule 11 und einen entlang der Achse h relativ zu der Magnetspule 11 bewegbar angeordneten und mit der Magnetspule 11 zusammenwirkenden Magnetanker 12 angedeutet ist. Der Aktor 10 kann beispielsweise zum Antrieb einer nicht gezeigten Ventilnadel eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
In einem ersten Schritt 100 (1) des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird während des Betriebs des elektromagnetischen Aktors 10 (2) der durch die Magnetspule 11 fließende Strom I und die an den Klemmen der Magnetspule 11 anliegende Spannung U gemessen. Die Erfassung dieser Größen kann bevorzugt über dasselbe Steuergerät erfolgen, das auch den Betrieb des Aktors 10 steuert.
Anschließend wird in dem Schritt 110 ein Momentanwert Um für den verketteten Fluss Ψ der Magnetspule 11 ermittelt. Hierzu ist der in 2 abgebildete Funktionsblock 13 vorgesehen, der beispielsweise die Gleichung Ψm = ∫(U – RI)dtauswerten kann, wobei R einem Gleichstromwiderstand der Magnetspule 11 entspricht.
Anstelle der Auswertung der vorstehend genannten Gleichung kann der Funktionsblock 13 die Ermittlung des Momentanwerts Ψm des verketteten Flusses Ψ beispielsweise auch durch andere geeignete Mittel, zum Beispiel im Wege einer oder mehrerer Kennfelder, vorsehen.
Unter Kenntnis des Momentanwerts Ψm des verketteten Flusses Ψ und des Stroms I wird anschließend in dem Schritt 120 (1) die momentane Position hm des Magnetankers 12 ermittelt. Hierzu ist beispielsweise der in 2 rechts abgebildete und vorliegend als Kennfeld KF ausgebildete Funktionsblock vorgesehen, der die momentane Position hm des Magnetankers 12 in Abhängigkeit der ihm zugeführten Eingangsgrößen Ψm, I liefert.
Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen, numerisch wenig aufwändigen Bestimmung der Position h des Magnetankers 12 wird in an sich bekannter Weise durch die Werteauflösung des Kennfelds KF bestimmt und kann beispielsweise durch Interpolation zwischen gespeicherten Kennfeldwerten gesteigert werden.
Wie in 1 durch den gestrichelten Pfeil 130 angedeutet, kann das erfindungsgemäße Verfahren anschließend erneut durchgeführt werden, so dass auch über einen längeren Zeitraum hinweg, z. B. während einer vollständigen Kraftstoffeinspritzung, der zeitliche Verlauf der Position h des Magnetankers 12 und damit auch der durch ihn angetriebenen Ventilnadel (nicht gezeigt) ermittelbar ist. Aus der Position h können andere Bewegungskenngrößen wie z. B. eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Magnetankers 12 in an sich bekannter Weise ermittelt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Position h des Magnetankers 12 ist das erfindungsgemäße Verfahren durch einen besonders geringen rechnerischen Aufwand gekennzeichnet, der eine Realisierung auch in herkömmlichen Steuergeräten elektromagnetischer Aktoren 10 erlaubt.
Ganz besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäß ermittelte momentane Position hm des Magnetankers 12 dazu verwendet werden, den Betrieb des elektromagnetischen Aktors 10 beziehungsweise eines den Aktor 10 enthaltenden Ventils (nicht gezeigt) zu regeln, beispielsweise um dessen Geräuschemissionen zu vermindern oder auch um Ventiltoleranzen zu eliminieren beziehungsweise eine Gleichstellung zwischen dem Betriebsverhalten mehrerer gleichartiger Ventile zu erzielen.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ermöglicht vorteilhaft unter anderem auch eine präzisere Zumessung von Kraftstoff bei Brennkraftmaschinen, vor allem in Phasen geringer Last, und die erfindungsgemäß ermöglichte Minderung von Geräuschemissionen durch eine entsprechend geregelte Ansteuerung macht seither eingesetzte Geräuschdämmungsmaßnahmen weitgehend überflüssig.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch bei anderen elektromagnetischen Aktoren eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1069284 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (10), der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule (11) und mit einem relativ zu der Magnetspule (11) bewegbaren und mit der Magnetspule (11) zusammenwirkenden Magnetanker (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere mögliche Positionen (h) des Magnetankers (12) jeweils ein Zusammenhang (KF) zwischen einem mit der Magnetspule (11) verketteten Fluss (Ψ) des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) gespeichert ist, dass aus einer an der Magnetspule (11) anliegenden Spannung (U) und aus dem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) der Momentanwert (Ψm) des verketteten Flusses (Ψ) ermittelt wird, und dass aus dem gespeicherten Zusammenhang (KF) unter Kenntnis des Stroms (I) und des Momentanwerts (Ψm) des verketteten Flusses (Ψ) die momentane Position (hm) des Magnetankers (12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentanwert (Ψm) des verketteten Flusses (Ψ) unter Verwendung der Gleichung Ψm = ∫(U – RI)dt ermittelt wird, wobei U die an der Magnetspule (11) anliegenden Spannung (U) ist, wobei I der durch die Magnetspule (11) fließende Strom (I) ist, und wobei R ein Gleichstromwiderstand der Magnetspule (11) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang (KF) zwischen dem mit der Magnetspule (11) verketteten Fluss (Ψ) des Magnetkreises und dem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) und den mehreren möglichen Positionen (h) des Magnetankers (12) in Form eines Kennfeldes realisiert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren dazu verwendet wird, einen Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt und/oder eine Öffnungs- und/oder Schließgeschwindigkeit und/oder weitere Betriebsgrößen eines den elektromagnetischen Aktor (10) enthaltenden Ventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils, zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb des elektromagnetischen Aktors (10) in Abhängigkeit der ermittelten momentanen Position (hm) des Magnetankers (12) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des elektromagnetischen Aktors (10) in Abhängigkeit der ermittelten momentanen Position (hm) des Magnetankers (12) so geregelt wird, dass Geräuschemissionen minimiert werden, wobei insbesondere der Magnetanker (12) vor dem Erreichen eines seinen Hubweg begrenzenden Elements abgebremst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten momentanen Position (hm) des Magnetankers (12) eine Diagnose der Funktion des Aktors (10) durchgeführt wird, insbesondere durch einen Vergleich eines tatsächlichen Zeitverlaufs der Position (h) des Magnetankers mit einem vorgegebenen Zeitverlauf.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Aktoren (10) betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsverhalten der mehreren Aktoren (10) in Abhängigkeit der ermittelten momentanen Position (hm) des jeweiligen Magnetankers (12) eines betreffenden Aktors (10) gleichgestellt wird, insbesondere um fertigungsbedingte Toleranzen zwischen den mehreren Aktoren (10) auszugleichen.
Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors (10), der einen Magnetkreis mit einer Magnetspule (11) und mit einem relativ zu der Magnetspule (11) bewegbaren und mit der Magnetspule (11) zusammenwirkenden Magnetanker (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere mögliche Positionen (h) des Magnetankers (12) jeweils ein Zusammenhang (KF) zwischen einem mit der Magnetspule (11) verketteten Fluss (Ψ) des Magnetkreises und einem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) gespeichert ist, dass aus einer an der Magnetspule (11) anliegenden Spannung (U) und aus dem durch die Magnetspule (11) fließenden Strom (I) der Momentanwert (Ψm) des verketteten Flusses ermittelbar ist, und dass aus dem gespeicherten Zusammenhang (KF) unter Kenntnis des Stroms (I) und des Momentanwerts (Ψm) des verketteten Flusses (Ψ) die momentane Position (hm) des Magnetankers (12) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüch 1 bis 8 ausgebildet ist.