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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen
Betätigungseinrichtung,
insbesondere eines elektromagnetisch betätigten Ventils, beispielsweise
Kraftstoff-Einspritzventils oder eines Bremsventils, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium
sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Obergriffen
der nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom
Markt her ist beispielsweise eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
bekannt, mit der Kraftstoff entweder in ein Saugrohr oder direkt
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die bekannte
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
verfügt über ein
elektromagnetisch betätigtes
Ventil, wobei eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung eine Spule
umfasst, in der ein mit einem Ventilelement verbundener beweglicher
Anker angeordnet ist. Mittels der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung kann
das Ventilelement entweder geöffnet
oder geschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem die Präzision im
Betrieb des elektromagnetisch betätigten Ventils erhöht werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Weitere Lösungen sind
darüber
hinaus in den nebengeordneten Patentansprüchen angegeben. Für die Erfindung
wichtige Merkmale finden sich auch in der nachfolgenden Beschreibung
und in der Zeichnung, wobei diese Merkmale sowohl in Alleinstellung als
auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein
können,
ohne das hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet einen geregelten Betrieb eines elektromagnetisch betätigten Ventils,
bei dem eine Magnetspule pulsweitenmoduliert mit vorzugsweise konstanter
Frequenz angesteuert wird. Der geregelte Betrieb ist möglich, weil
ein aktueller Hub eines Ventilelements des Ventils ermittelt wird.
Dabei kann auf zusätzliche Einrichtungen,
beispielsweise Wegaufnehmer oder andere Einrichtungen zur Messung
der aktuellen Position des Ventilelements verzichtet werden, da
eine aus üblichen
elektrischen Betriebsgrößen des
Ventils ermittelbare Größe zur Ermittlung
des aktuellen Hubs verwendet wird. Diese Größe charakterisiert eine aktuelle
Induktivität
der Magnetspule, über
die ein elektromagnetisch betätigtes
Ventil immer verfügt.
Dem liegt der allgemeine Gedanke zu Grunde, dass die aktuelle Induktivität der Magnetspule
von der Relativlage eines Ankers zur Magnetspule, das heißt von dem
vorhandenen Luftspalt in dem magnetischen Kreis abhängt. Möglich ist
es mit dem erfindungsgemäßen Prinzip
ferner, bei einem Schaltventil beispielsweise das Erreichen/Einhalten
der Endlagen zu Überwachen.
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In
einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren wird vorgeschlagen,
dass die Größe, die
die aktuelle Induktivität
charakterisiert, unter Berücksichtigung
einer Steigung eines durch eine Spule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung
fließenden
Stroms oder eines entsprechenden Wertes ermittelt wird. Die Induktivität L bestimmt sich
ganz allgemein gemäß der Formel:
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Wobei
U die an der Magnetspule anliegende Spannung ist, R deren ohmscher
Widerstand und I der durch die Magnetspule fließende Strom. dI/dt ist die
Stei gung des durch die Magnetspule fließenden gepulsten Stroms. In
Kenntnis des Spulenwiderstandes, der Spulenspannung und des Spulenstroms
beziehungsweise seiner zeitlichen Ableitung lässt sich so die aktuelle Induktivität leicht
ermitteln, sodass der Hub auf sehr einfach Art und Weise bestimmt
werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird die Steigung oder die entsprechende Größe gegen Ende eines Ansteuerpulses
ermittelt. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass sich
Wirbelstromverluste, die das Verfahrensergebnis negativ beeinflussen
können,
zu Beginn eines Ein- beziehungsweise Abschaltvorganges am stärksten auswirken.
Denn dort, wo die Steigung dI/dt am größten ist, ist die Beeinflussung
durch Wirbelströme
am größten. Die
Wirbelströme
werden dabei durch die im Anker induzierte Spannung erzeugt gemäß Uind = –dΦ/dt,wobei Φ der magnetische
Fluss ist. Dieser ändert sich,
wenn sich die felddurchsetzte Fläche
oder die Feldstärke ändert. Letztere ändert sich,
wenn sich der Strom ändert.
Sie wächst
proportional zur Stromänderung
pro Zeit. Es gilt also: Uind ~
dI/dt
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Dort,
wo dI/dt am größten ist,
sind auch die Wirbelströme
am größten. Wird
somit die Steigung des Stromverlaufs gerade in dem oben genannten Bereich
bestimmt, ist das Ergebnis am ungenauesten. Insbesondere besteht
hierdurch die Gefahr von Mehrdeutigkeit. Wird dagegen die Steigung
gegen Ende einer Flanke eines Pulses des pulsweiten modulierten
Signals ermittelt, sind die besagten Probleme am geringsten und
wird das Verfahrensergebnis am genauesten.
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Ebenfalls
zur Verbesserung der Präzision des
Verfahrensergebnisses trägt
bei, wenn bei einem vergleichsweise langen Ansteuerpuls die Steigung oder
die entsprechende Größe am Anfang
des Ansteuerpulses ermittelt wird. Dies betrifft also den Fall der
Ermittlung der Steigung des Stroms für besonders kleine oder besonders
große
Tastverhältnisse des
pulsweiten modulierten Ansteuersignals, da dort der Strom auf nahezu
null beziehungsweise auf nahezu seinen Maximalwert geht. Um dennoch
eine Steigung mit ausreichender Genauigkeit ermitteln zu können, sollte
der Zeitpunkt der Steigungsermittlung in Richtung der Schaltzeit punkte
des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals verschoben werden, da dort
die Steigung des Stromverlaufs am stärksten ausgeprägt ist.
Gleichwohl wird so auch der Fehler durch Wirbelströme vergrößert, was
jedoch durch geeignete Maßnahmen
kompensiert werden kann.
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Am
einfachsten ist die Ermittlung der Steigung des Spulenstroms dann,
wenn diese anhand zweier Stromwerte einer gleichen Flanke ermittelt wird.
Alternativ hierzu kann dann, wenn sowohl die Frequenz der Pulsweitenmodulation
als auch das Tastverhältnis
konstant sind, eine der Steigung des Stroms entsprechende Größe einer
Amplitude zwischen zwei benachbarten Spitzen des durch die Spule
der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung fließenden Stromes
sein. Auf diese Weise kann die Induktivität indirekt ermittelt werden.
Diese Bestimmung der der Steigung des Stroms entsprechenden Größe hat den
Vorteil, dass der Einfluss von Wirbelströmen vergleichsweise gering
ist. Der Grund hierfür liegt
darin, dass die Amplitude zwischen zwei benachbarten Spitzen durch
das Ende der Flanken des pulsweitenmodulierten Signals festgelegt
und somit durch Bereiche mit geringer Stromsteigung definiert wird.
Eine einfache Methode um diese Amplitude zu erfassen, besteht darin,
dass die Wechselstromanteile einer an einem Shunt-Widerstand auftretenden Spannungswelligkeit
gleichgerichtet werden.
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Wie
bereits oben erläutert
worden ist, ist für die
Ermittlung der Größe, die
die aktuelle Induktivität charakterisiert,
auch die Kenntnis der an der Spule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung
anliegenden Spannung erforderlich. Bei genauer Kenntnis der Endstufe
und deren Speisespannung muss die Spannung nicht gemessen werden.
Bei einer idealen Endstufe und einer idealen Spannungsversorgung
wäre die
Spannung beim Einschaltvorgang gleich der Ausgangsspannung der Quelle
und beim Ausschaltvorgang gleich Null. Der Spannungsabfall in der
Endstufe hängt
idealerweise vom Strom und der Temperatur sowie von den verwendeten Leistungstransistoren,
Freilaufdioden, etc. ab. Gleichwohl wird eine Verminderung der Genauigkeit zumindest
reduziert, wenn die Spannung gemessen wird.
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Zur
Erhöhung
der Präzision
der erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es vorteilhaft, wenn für
die Spannungsmessung nicht stromdurchflossene Messleitungen verwendet
werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beliegende Zeichnung
beispielhaft erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
teilweisen und schematischen Schnitt durch ein elektromagnetisch
betätigtes
Ventil;
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2 ein
Diagramm, in dem ein Ansteuer-Spannungssignal bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung
des Ventils von 1 über der Zeit aufgetragen ist;
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3 ein
Diagramm eines sich aus dem Signal von 2 ergebenden
idealisierten (rein ohmschen) Stromverlaufs durch eine Spule des
Ventils von 1;
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4 ein
Diagramm, in dem der Verlauf des an der Spule des Ventils von 1 anliegenden Stroms über der
Zeit bei einer ersten Stellung eines Ventilelements des Ventils
von 1 bei einer Ansteuerung gemäß 2 aufgetragen
ist;
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5 ein
Diagramm ähnlich 4 bei
einer zweiten Stellung des Ventilelements;
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6 ein
Diagramm, in dem eine Induktivität über einem
Hub des Ventilelements des Ventils von 1 aufgetragen
ist;
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7 eine
Schaltung zum Gleichrichten von Wechselstromanteilen einer Spannungswelligkeit; und
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8 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Ventils von 1.
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Ein
elektromagnetisch betätigtes
Ventil trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Das dargestellte Ventil kann, wie
durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, beispielsweise ein
Kraftstoff-Einspritzventil sein, mit dem Kraftstoff in eine Ansaugleitung
oder direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Möglich
ist aber auch, dass das dargestellte Ventil 10 in einem
Bremssystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Es handelt sich
vorliegend um ein ”stetig
stellbares Ventil”,
mit dem also auch Teilhübe
angefahren werden können.
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Das
Ventil 10 umfasst eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 12,
zu der wiederum eine Magnetspule 14 gehört. Radial innerhalb der Magnetspule 14 ist
in einem Gehäuse 16 aus
einem ferromagnetischen Material ein Anker 18 aus einem ebenfalls
ferromagnetischen Material geführt,
der wiederum mit einem länglichen,
federbeaufschlagten Ventilelement 20 aus einem nicht ferromagnetischen Material
verbunden ist. Mit 21a ist ein Zulauf, mit 21b ein
Ablauf bezeichnet. Das Ventilelement 20 arbeitet mit einem
gehäuseseitigen
Ventilsitz 22 zusammen. Zwischen der Magnetspule 14 und
dem inneren Gehäuseabschnitt 16 sowie
dem Anker 18 ist ein hülsenartiges
Gehäuseteil 23 aus
einem nichtferromagnetischen Material angeordnet.
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Zur
Betätigung
des Ventils 10 wird an die Magnetspule 14 ein
gepulstes Spannungssignal angelegt, beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes
Spannungssignal, wie es in 2 dargestellt
ist. Das pulsweitenmodulierte Spannungssignal wird in einer Endstufe
bereitgestellt, welche wiederum von einer nicht dargestellten Steuer-
und Regeleinrichtung angesteuert wird. Die aktuelle an der Magnetspule 14 der elektromagnetischen
Betätigungseinrichtung 12 anliegende
Spannung U wird unter Berücksichtigung
einer Speisespannung ermittelt. Ebenso wird ein aktueller an der
Magnetspule 14 anliegender Strom I durch geeignete, jedoch
nicht näher
dargestellte Mittel erfasst.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ventil 10 wird ein aktueller
Hub H des Ventilelements 20 unter Berücksichtigung einer Größe, die
eine aktuelle Induktivität L
der Magnetspule 14 charakterisiert, ermittelt. Hierzu wird
zunächst
auf die 2 bis 5 Bezug
genommen:
In 2 ist ein pulsweitenmoduliertes
Spannungssignal dargestellt, mit dem die Magnetspule 14 angesteuert
wird. Dabei gilt: Frequenz f = 1/T Tastverhältnis
= A/(A + B)
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In 3 ist
der sich aus dem gepulsten Spannungssignal von 2 ergebende
Strom I bei einer rein ohmschen Betrachtungsweise dargestellt. Man
erkennt, das sich in diesem Falle zwei diskrete Strompulse entsprechend
den diskreten Spannungspulsen von 2 ergeben
würden.
Tatsächlich
hat die Magnetspule 14 aber kein rein ohmsches Verhalten.
Stattdessen ergibt sich bei einem gepulsten Spannungssignal entsprechend 2 ein
Stromverlauf, wie er in den 4 und 5 dargestellt
ist. Dabei ist der Verlauf etwas idealisiert dargestellt: Tatsächlich ist
er nicht ganz linear, sondern entspricht dem einer e-Funktion. Die
Steigung dI/dt der Flanken des Stromverlaufs hängt dabei von der aktuellen
Induktivität
L der Magnetspule 14 ab. 4 zeigt
dabei die Darstellung bei einer vergleichsweise kleinen Induktivität L, 5 den
Verlauf bei einer vergleichsweise großen Induktivität L.
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Man
erkennt aus den 4 und 5, dass aus
der Steigung dI/dt der Flanken des Stromverlaufs auf die aktuelle
Induktivität
der Magnetspule 14 geschlossen werden kann. Diese hängt jedoch
wiederum von der Position des Ankers 18 relativ zur Magnetspule 14 ab,
und somit letztendlich von der aktuellen Stellung des Ventilelements 20.
Beispielhaft ist in 6 die aktuelle Induktivität L der
Magnetspule 14 über
dem aktuellen Hub des Ventilelements 20 beziehungsweise
des Ankers 18 aufgetragen. Aus den 4 bis 6 erkennt
man also, dass über
eine Auswertung der Steigung dI/dt des Stromverlaufs die aktuelle
Induktivität
L und aus dieser wiederum der aktuelle Hub H des Ventilelements 20 beziehungsweise
des Ankers 18 ermittelt werden können. Auf diese Weise ist der
aktuelle Hub H des Ventilelements 20 der Steuer- und Regeleinrichtung
des Ventils 10 bekannt, sodass der Hub H des Ventilelements 20 geregelt
werden kann.
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Dabei
versteht sich, dass für
einen bestimmten Ventiltyp die Zusammenhänge zwischen Steigung dI/dt
des Stroms I, Induktivität
L und Hub H in entsprechenden Vorversuchen ermittelt und in der Steuer-
und Regeleinrichtung beispielsweise in Form von Kennlinien oder
Kennfeldern abgelegt sind.
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Die
Steuer- und Regeleinrichtung ist so programmiert, dass die Steigung
gegen Ende eines Ansteuerpulses 24 ermittelt wird. Lediglich
dann, wenn die Dauer eines Ansteuerpulses 24 einen Grenzwert überschreitet,
wird die Steigung zu Beginn des entsprechenden Ansteuerpulses 24 ermittelt.
Zur Ermittlung der Stei gung dI/dt werden von der Steuer- und Regeleinrichtung
zwei Stromwerte 26a und 26b einer gleichen Flanke 28 des
Verlaufs des Strom I gemäß 4 beziehungsweise 5 verwendet.
Möglich ist
auch, die Steigung anhand zweier benachbarter Extremwerte (”Spitzen”) 30a und 30b des
durch die Magnetspule 14 der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 12 fließenden Stromes
zu ermitteln. In letzterem Fall kann die Amplitude mittels Gleichrichtung
der Wechselstromanteile einer an einem Shunt-Widerstand auftretenden
Spannungswelligkeit erfasst werden, entsprechen der in 7 gezeigten
Schaltung. In dieser ist mit 32 ein Shunt-Widerstand, mit 34 ein
unipolarer Kondensator, mit 36 eine Diode zur Gleichrichtung,
mit 38 ein Kondensator zur Glättung, mit 40 ein
Widerstand zur Entladung des Kondensators 38 bei rückläufiger Welligkeit,
und mit 42 eine Diode zum Ausgleich einer negativen Spannung,
mit ES die Endstufe und mit MK der Magnetkreis bezeichnet. UW ist proportional zur Spannung von Spitze
zu Spitze. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Stromverlauf
nicht hochfrequent gemessen werden muss.
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Durch
die Bewegung des Ankers 18 in der Magnetspule 14 werden
in dieser Wirbelströme
erzeugt, welche den in den 4 und 5 gezeigten Verlauf
des Stromes I beeinflussen und damit die Genauigkeit der Ermittlung
der aktuellen Position H des Ventilelements 20 negativ
beeinflussen können. Äußere Einflüsse, die
auf das Ventilelement 20 und somit den Anker 18 einwirken
und diese bewegen, ermöglichen
auf Grund des Vorhandenseins von Wirbelströmen eine Rückkopplung (”Gegeninduktion”) in den
elektrischen Kreis. Hierzu gehören
beispielsweise Druckstöße und Schwankungen,
allgemeine Vibrationen des Ventils, etc.. Diese Einflüsse können, um
die Präzision
des Verfahrens zu erhöhen,
mindestens zum Teil durch geeignete Verfahren kompensiert werden.
Eine Veränderung
der Induktivität
L bedeutete eine Veränderung
der ”Energie-Speicherkapazität”, was sich
kurzfristig im Wert des Stromes I zeigt und wenigstens in etwa von
der Endstufe, beispielsweise einer stromgeregelten Endstufe ausgeregelt
werden sollte. Diese Reaktion der Endstufe (bspw. Änderung
des Strom-Sollwertes für
die Pulsweitenmodulation und/oder Änderung des Tastverhältnisses)
kann zur Korrektur des berechneten Hubwertes beitragen.
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Ein
Verfahren zum Betreiben des Ventils
10 ist in
8 gezeigt:
Nach einem Start in
44 wird in
46 die Steigung
dI/dt des durch die Magnetspule
14 fließenden Stromes I ermittelt.
Hieraus wird in
48 die aktuelle Induktivität L der
Magnetspule
14 ermittelt, und zwar entsprechend folgender
Formel:
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In 50 wird
anhand der in 48 ermittelten Induktivität der aktuelle Hub H des Ankers 18 und
somit des Ventilelements 20 ermittelt. Das Verfahren endet in 52.
