DE102008054877A1

DE102008054877A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektromechanischen Aktors

Info

Publication number: DE102008054877A1
Application number: DE200810054877
Authority: DE
Inventors: Peter Feuerstack; Dirk Mentgen; Stephan Rees; Joachim Fetzer; Holger Fink; Stefan Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Aktors (10), bei dem mindestens eine elektrische Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10) erfasst wird. Erfindungsgemäß werden Informationen über einen Betrieb des Aktors (10), insbesondere über eine Bewegung und/oder eine Ausdehnung des Aktors (10), mittels eines das Betriebsverhalten des Aktors (10) beschreibenden Modells (100) ermittelt, dem als Eingangsgröße die mindestens eine elektrische Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10) zugeführt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromechanischen Aktors, bei dem mindestens eine elektrische Ansteuergröße des Aktors erfasst wird.
Derartige Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen werden insbesondere im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt, um beispielsweise Kraftstoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine und dergleichen anzutreiben.
Grundsätzlich können bei herkömmlichen elektromechanischen Aktoren zur Ermittlung der mechanischen Bewegung beziehungsweise Ausdehnung separate Sensorsysteme eingesetzt werden, die die mechanische Bewegung beziehungsweise Ausdehnung der Aktoren direkt erfassen. Damit ist beispielsweise eine direkte Erfassung der Position eines beweglichen Teils des betreffenden Aktors möglich. Derartige Sensorsysteme können u. a. optische oder induktive Geber aufweisen, sind jedoch insbesondere für die Anwendung im Kraftfahrzeugbereich zu aufwändig und zu anfällig gegenüber den dort herrschenden Betriebsbedingungen. Ferner ist der Einsatz derartiger Sensorsysteme mit einem großen Platzbedarf verbunden, weil die Sensoren üblicherweise direkt in den Aktor integriert oder an dem Aktor angebaut werden müssen.
Die Erfassung der elektrischen Ansteuergrößen bei den herkömmlichen Aktorsystemen ermöglicht lediglich einfache Diagnosefunktionen, welche beispielsweise eine elektrische Unterbrechung von Ansteuerleitungen erkennen, die zur Übertragung der elektrischen Ansteuergrößen an den Aktor vorgesehen sind.
Auch Kurzschlüsse nach Masse, einem anderen Bezugspotential usw. sind üblicherweise mit der herkömmlichen Diagnose erkennbar. Nähere Informationen über einen Betriebsablauf des Aktors oder interne Fehler des Aktors können mit den bekannten Verfahren allerdings nicht gewonnen werden.
Aus den vorstehend genannten Gründen werden elektromechanische Aktoren derzeit überwiegend gesteuert betrieben, was hinsichtlich eines unmittelbar gewünschten Effekts, nämlich der Stellbewegung bzw. Ausdehnung des Aktors, suboptimal ist, weil die Stellbewegung an sich nicht überwacht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass unter Umgehung der Nachteile des Stands der Technik eine flexiblere und genauere Diagnose und ein verbesserter Betrieb elektromechanischer Aktoren möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Informationen über einen Betrieb des Aktors, insbesondere über eine Bewegung und/oder eine Ausdehnung des Aktors, mittels eines das Betriebsverhalten des Aktors beschreibenden Modells ermittelt werden, dem als Eingangsgröße die mindestens eine elektrische Ansteuergröße des Aktors zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorsehung eines derartigen Modells ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von üblicherweise bereits in einem den Aktor ansteuernden Steuergerät vorhandenen Informationen wie beispielsweise den elektrischen Ansteuergrößen, um Betriebsinformationen über den Aktor und insbesondere über bewegliche Komponenten des Aktors zu erhalten.
Unter dem Begriff ”elektromechanischer Aktor” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jeder Aktor verstanden, bei dem eine mechanische Bewegung und/oder eine mechanische Ausdehnung mindestens einer Komponente durch elektrische oder magnetische Felder oder eine Kombination hieraus hervorgerufen wird. Typische Beispiele für elektromechanische Aktoren sind Elektromagnete wie sie beispielsweise in Magnetventilen zur Betätigung von Ventilelementen eingesetzt werden oder auch piezoelektrische Aktoren, die vorteilhaft ebenfalls zur Betätigung von Einspritzventilen eingesetzt werden können.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass Informationen über einen Betriebszustand, insbesondere über eine Bewegung beziehungsweise Ausdehnung, des Aktors auf der Basis einfach zu erfassender Größen, beispielsweise der Aktorspannung und des Aktorstroms, ermittelt werden. Dadurch kann vorteilhaft insbesondere auf separate Sensorsysteme verzichtet werden sowie auf den konstruktiven Aufwand, der mit dem Einbau solcher Sensorsysteme in herkömmliche Aktoren einhergeht. Die Erfindung ermöglicht somit eine kostengünstige Ermittlung der Größen zur Beschreibung der mechanischen Bewegung und/oder Ausdehnung elektromechanischer Aktoren.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird ein zeitlicher Verlauf der mindestens einen Ansteuergröße erfasst und dem Modell zugeführt, wodurch eine besonders präzise Ermittlung von Informationen über den Betrieb des Aktors möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante wird mittels des Modells eine Position bzw. Ausdehnung und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung einer beweglichen Komponente des Aktors ermittelt, oder eine beliebige Kombination hieraus.
Um eine kontinuierliche Optimierung des erfindungsgemäßen Modells zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß vorteilhaft ferner vorgesehen sein, dass mindestens ein Parameter des Modells dynamisch angepasst wird. Das heißt, es ist möglich, dass ein Parameter des verwendeten Modells während der Auswertung des Modells angepasst wird. Neben einer kontinuierlichen Optimierung des verwendeten Modells ist dadurch darüberhinaus vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, gerade in dem Kraftfahrzeugbereich auftretenden starken Änderungen von Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, die mittels des Modells erhaltenen Informationen dazu zu verwenden, eine Diagnose des Aktors durchzuführen und/oder einen Betrieb des Aktors zu regeln.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 angegeben.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Ersatzschaltbild eines elektromechanischen Aktors unter Ansteuerung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
4a eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem ersten das Betriebsverhalten des Aktors gemäß 3 beschreibenden Modell, und
4b eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem zweiten das Betriebsverhalten des Aktors gemäß 3 beschreibenden Modell.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines als Elektromagnet ausgebildeten elektromechanischen Aktors 10, der eine bewegliche Komponente 11 aufweist, bei der es sich beispielsweise um einen Magnetanker handeln kann, der in dem Fachmann bekannter Weise durch Magnetkräfte des Elektromagneten angetrieben wird. Die bewegliche Komponente 11 kann u. a. dazu verwendet werden, ein Element eines nicht abgebildeten Kraftstoffeinspritzventils zu betätigen, beispielsweise eine Ventilnadel.
Der Aktor 10 wird durch ein Steuergerät 20 mit mindestens einer elektrischen Ansteuergröße angesteuert. Bei der Ansteuergröße kann es sich insbesondere um eine Aktorspannung oder einen Aktorstrom handeln. Unter entsprechender Beaufschlagung des Aktors 10 mit den vorstehend genannten Ansteuergrößen ergibt sich eine Bewegung der beweglichen Komponente 11 parallel zu einer in 1 durch den Doppelpfeil B symbolisierten Bewegungsrichtung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Steuergerät 20 beziehungsweise einer darin angeordneten Recheneinheit ein das Betriebsverhalten des Aktors 10 beschreibendes Modell realisiert ist, dem als Eingangsgröße die mindestens eine elektrische Ansteuergröße des Aktors 10 zugeführt wird. Für die Erfassung der mindestens einen Ansteuergröße weist das Steuergerät 20 geeignete Erfassungsmittel 21 auf, bei denen es sich beispielsweise um entsprechende Messeinrichtungen zur Erfassung der elektrischen Ansteuergrößen handeln kann. Alternativ können die elektrischen Ansteuergrößen für den Aktor 10 in dem Steuergerät 20 auch direkt von einer nicht abgebildeten Endstufe erhalten werden, welche die Ansteuergrößen zur Ausgabe an den elektromechanischen Aktor 10 bildet.
Das Steuergerät 20 verfügt ferner über Mittel 22 zur Auswertung des erfindungsgemäßen Modells. Die Mittel 22 können funktional beispielsweise in einer bereits vorhandenen Recheneinheit des Steuergeräts 20 integriert sein oder auch durch einen separaten Logikbaustein oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC, application specific integrated circuit) realisiert sein.
Erfindungsgemäß dienen die Mittel 22 beispielsweise dazu, mittels des darin implementierten Modells eine tatsächliche Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung der beweglichen Komponente 11 des Aktors 10 zu ermitteln. Dadurch kann vorteilhaft auf die Vorsehung separater Sensoranordnungen zur messtechnischen Erfassung der vorstehend genannten Bewegungsgrößen des Aktors 10 verzichtet werden.
Eine besonders präzise Ermittlung der durch das erfindungsgemäße Modell erhaltenen Größen ist dann möglich, wenn ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Ansteuergrößen für den Aktor 10 erfasst wird. Je nach Ausbildung des erfindungsgemäßen Modells kann beispielsweise eine Abtastrate für die Erfassung der elektrischen Ansteuergrößen des Aktors 10 geeignet gewählt werden.
Sofern dem erfindungsgemäßen Modell mehrere elektrische Ansteuergrößen für den Aktor 10 als Eingangsgröße zugeführt werden, ist es erfindungsgemäß ferner vorteilhaft möglich, unterschiedliche Ansteuergrößen mit jeweils unterschiedlicher zeitlicher Auflösung zu erfassen beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Modell zuzuführen. Hierdurch kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass sich je nach Ausbildung des Aktors 10 beziehungsweise seinem typischen Betriebsverhalten unterschiedliche Zeitkonstanten hinsichtlich der Änderung der einzelnen elektrischen Ansteuergrößen einstellen.
2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird erfindungsgemäß die mindestens eine elektrische Ansteuergröße des Aktors 10 (1) erfasst. Anschließend wird die erfasste elektrische Ansteuergröße dem erfindungsgemäßen Modell zugeführt, das in Abhängigkeit dieser und ggf. weiterer Eingangsgrößen ausgewertet wird, vgl. Schritt 210. Danach werden im Schritt 220 beispielsweise Größen zur Beschreibung des Bewegungsverlaufs der beweglichen Komponente 11 (1) des Aktors 10 ermittelt.
Je nach Ausbildung des Aktors 10 können wie vorstehend bereits beschrieben eine Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung oder dergleichen ermittelt werden. Sofern der Aktor 10 unter Ansteuerung mit der mindestens einen elektrischen Ansteuergröße beispielsweise anstelle einer Positionsänderung beziehungsweise Bewegung eine Ausdehnung erfährt, kann das erfindungsgemäße Modell auch dazu verwendet werden, diese Ausdehnung des Aktors 10 oder deren zeitliche Änderung und ggf. weitere abgeleitete Größen zu ermitteln.
3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des als Elektromagnet ausgebildeten elektromechanischen Aktors 10 gemäß 1. Der Aktor 10 selbst ist hierbei repräsentiert durch einen Ohmwiderstand R und eine hierzu in Serie geschaltete Induktivität L. Die Induktivität L ist abhängig von der sich in 1 parallel zu der durch den Doppelpfeil B angedeuteten Bewegungsrichtung erstreckenden Auslenkung s der beweglichen Komponente 11, es gilt mithin: L = L(s).
Im Bereich der Klemmen 10a des Aktors 10 sind die elektrischen Ansteuergrößen u, i für den Aktor 10 symbolisch abgebildet. Diese Ansteuergrößen u, i werden durch eine Treiberschaltung 23 bereitgestellt, wie sie beispielsweise in dem Steuergerät 20 (1) enthalten sein kann. Die Treiberschaltung 23 weist eine Gleichspannungsquelle U, eine Freilaufdiode D und einen hierzu in Serie angeordneten Halbleiterschalter HIS auf. Unter entsprechender Ansteuerung des Halbleiterschalters HIS durch das Steuergerät 20 kann die Treiberschaltung 23 den Aktor 10 mit den gewünschten elektrischen Ansteuergrößen u, i ansteuern.
Bei der Vernachlässigung von Wirbelstromeffekten gilt in einem linearen Bereich der Magnetisierungskurve eines durch den Aktor 10, d. h. den Elektromagneten und die mit dem Elektromagneten zusammenwirkende, als Magnetanker ausgebildete bewegliche Komponente 11, gebildeten magnetischen Kreises: Ψ = L(s)·i (Gleichung 1) Ψ = ∫uinddt = ∫(u – R·i)dt (Gleichung 2)
mit:

Ψ: mit der Wicklung des Elektromagneten verketteter Fluss,
L(s): Induktivität der Wicklung des Elektromagneten (L ist abhängig von der Position s des Magnetankers),
R: ohmscher Widerstand der Wicklung des Elektromagneten,
u_ind: in der Wicklung des Elektromagneten induzierte Spannung.

Aus Gleichung 3 ist ersichtlich, dass die erste zeitliche Ableitung des Ansteuerstroms i einen Anteil enthält, der von der Bewegung der beweglichen Komponente 11, beispielsweise des Magnetankers, abhängt. Damit geht aus dem vorstehenden Gleichungssystem hervor, dass der Zusammenhang zwischen der an der Wicklung des Aktors 10 anliegenden Ansteuerspannung u und dem Ansteuerstrom i von der Position bzw. Auslenkung s des Magnetankers abhängig ist. Der vorliegend betrachtete Aktor 10 erfüllt damit die Voraussetzung, dass sich in Abhängigkeit von der mechanischen Bewegung beziehungsweise von der mechanischen Ausdehnung des Aktors 10 ein Zusammenhang zwischen der Aktorspannung u und dem Aktorstrom i ändert.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist auf jeden elektromechanischen Aktor 10 anwendbar, bei dem ein entsprechender Zusammenhang zwischen den erfindungsgemäß betrachteten elektrischen Ansteuergrößen u, i und den interessierenden Bewegungsgrößen besteht.
Generell können unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips alle elektromechanischen Aktoren betrieben werden, bei denen die mechanische Bewegung oder die mechanische Ausdehnung mindestens einer beweglichen Komponente 11 durch magnetische Felder und/oder durch elektrische Felder hervorgerufen werden.
Das erfindungsgemäße Modell, das vorteilhaft zur Ermittlung der Größen zur Beschreibung der Bewegung oder Ausdehnung des Aktors 10 verwendet wird, kann hierbei in unterschiedlichen Varianten realisiert werden. Diese Varianten unterscheiden sich bezüglich des rechnerischen Aufwands für die Auswertung des Modells und der Anforderungen an die Genauigkeit der ihm zugeführten elektrischen Ansteuergrößen.
Bei Aktoren, deren mechanische Bewegung oder Ausdehnung über die Kraftwirkung eines magnetischen Feldes hervorgerufen wird, vergleiche den Elektromagneten 10 aus 1, ist eine Stellgröße und damit die Eingangsgröße des erfindungsgemäßen Modells die an dem Aktor 10 anliegende Aktorspannung u. Als Folge dieser Aktorspannung u ergibt sich in an sich bekannter Weise der durch den Aktor 10 fließende Aktorstrom i, der eine Bewegung des Magnetankers 11 hervorruft.
Bei Aktoren, deren mechanische Bewegung oder Ausdehnung über die Kraftwirkung eines elektrischen Feldes hervorgerufen wird, wie dies beispielsweise bei piezoelektrischen Aktoren der Fall ist, die die Stellgröße und damit auch die Eingangsgröße für das erfindungsgemäße Modell der Aktorstrom i. Hier ergibt sich als Folge des Aktorstroms i die Aktorspannung u.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Modells beziehungsweise für die Bildung eines entsprechenden Modells macht es keinen grundsätzlichen Unterschied, ob die mechanische Bewegung beziehungsweise die mechanische Ausdehnung des Aktors 10 über die Kraftwirkung eines magnetischen und/oder eines elektrischen Feldes hervorgerufen wird.
Die weitere Beschreibung des erfindungsgemäßen Modells erfolgt daher ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit des erfindungsgemäßen Prinzips anhand des bereits vorstehend beschriebenen Elektromagneten 10 beziehungsweise eines den Elektromagneten 10 aufweisenden Magnetventils.
4a zeigt eine erste, besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen Modells zur Ermittlung der Größen zur Beschreibung der Bewegung des Aktors 10. Bei dieser Erfindungsvariante wird das durch den Funktionsblock 100 symbolisierte erfindungsgemäße Modell mit der Aktorspannung u und dem Aktorstrom i als Eingangsgrößen gespeist und gibt an seinem Ausgang eine oder mehrere mittels des Modells 100 nachgebildete Größen aus, welche die Bewegung des Aktors 10 beziehungsweise seiner beweglichen Komponente 11 (1) beschreiben. Hierbei handelt es sich vorliegend beispielsweise um die Position beziehungsweise Auslenkung s_Mod und/oder die Geschwindigkeit v_Mod und/oder die Beschleunigung a_Mod. Die Nachbildung dieser interessierenden Größen durch das erfindungsgemäße Modell 100 erfolgt durch eine mittels des Modells 100 implementierte Auswertung der durch den Aktortyp vorgegebenen Abhängigkeit der Zusammenhänge zwischen der Aktorspannung u und dem Aktorstrom i von der tatsächlichen Bewegung des Aktors 10 bzw. seiner beweglichen Komponente 11. Das Modell kann mittels Kennlinien, einfachen mathematische Rechenvorschriften oder auch regelbasiert realisiert werden.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Modell 100 auch die vorstehend beschriebenen Gleichungen 1 bis 3 implementieren bzw. vereinfachte Varianten hiervon.
4b zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem modifizierten Modell 100', welches insbesondere für Anwendungen geeignet ist, bei denen höhere Anforderungen an die Genauigkeit der von dem Modell 100' zur Verfügung gestellten Größen zur Beschreibung der mechanischen Bewegung bestehen. Hier wird zur Ermittlung des Bewegungsverlaufs der beweglichen Komponente 11 ein physikalisches Modell des Aktors 10 erstellt, bei dem die Abhängigkeit des Zusammenhangs zwischen der Aktorspannung u und dem Aktorstrom i von der Bewegung des Aktors 10 beschrieben wird, vgl. die Gleichungen 1 bis 3.
Im Gegensatz zu der unter Bezugnahme auf a beschriebenen ersten Variante 100 des erfindungsgemäßen Modells liefert das Modell 100' gemäß 4b neben den bereits vorstehend beschriebenen eine Bewegung der beweglichen Komponente 11 repräsentierenden Signalen s_Mod, v_Mod, a_Mod auch ein Signal i_Mod für den mittels des Modells 100' nachgebildeten Aktorstrom.
Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Aktorstrom i und dem erfindungsgemäß durch das Modell 100' nachgebildeten Aktorstrom i_Mod kann vorteilhaft zur dynamischen Adaption der in dem Modell 100' verwendeten Parameter herangezogen werden.
Beispielsweise kann die vorstehend beschriebene Differenz i – i_Mod auf einen Eingang eines Integrierers (nicht abgebildet) gegeben werden, dessen Ausgang an geeigneter Stelle auf das Modell 100' aufgeschaltet wird, um einen oder mehrere Modellparameter in Abhängigkeit des Integratorwerts zu modifizieren. Bei einem nichtverschwindenden Integratorwert ergibt sich demnach eine entsprechende Korrektur der Parameter des Modells 100'. Diese Korrektur dauert an, bis der nachgebildete Aktorstrom i_Mod mit dem tatsächlichen Aktorstrom i stationär exakt und mit geeigneter Dimensionierung des Integrierers auch dynamisch ausreichend genau übereinstimmt. Das heißt, in diesem Fall erfolgt keine weitere dynamische Anpassung der Parameter des Modells 100'.
Grundsätzlich können zur Realisierung des erfindungsgemäßen Modells 100' aus der Literatur bekannte Verfahren zur Adaption von Modellparametern herangezogen werden, bei denen Abweichungen zwischen dem Modell 100' und einem realen Aktor 10 beispielsweise mit Hilfe von Gütekriterien minimiert werden, insbesondere durch Anwendung eines Kálmán-Filters und dergleichen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen dynamischen Adaption kann mit der Ausführungsform gemäß 4b eine höhere Präzision erzielt werden als bei der ersten Ausführungsform gemäß 4a.
Ein weiterer Vorteil der Modellvariante 100' aus 4b besteht darin, dass durch die dynamische Anpassung der Parameter auch den insbesondere im Kraftfahrzeugbereich vorherrschenden Änderungen der Eigenschaftsparameter des Aktors 10 aufgrund von Temperaturabhängigkeiten und Alterungs- oder Verschleißerscheinungen optimal Rechnung getragen werden kann.
Generell können durch das erfindungsgemäße Modell 100, 100' interessierende Bewegungsgrößen mindestens einer Komponente eines elektromechanischen Aktors 10, beispielsweise eine Position beziehungsweise Auslenkung s, eine Geschwindigkeit oder auch eine Beschleunigung oder eine beliebige Kombination hieraus ermittelt werden.
Bei Aktoren, deren mechanische Ausdehnung sich während ihres Betriebs ändert, vergleiche piezoelektrische Aktoren, sind zur modellmäßigen Beschreibung die Größen Längenausdehnung, zeitliche Änderung der Längenausdehnung, zweite Ableitung der Längenausdehnung von Interesse. Alternativ oder ergänzend zu einer Längenausdehnung kann in entsprechender Form auch eine Flächen- beziehungsweise Volumenänderung des Aktors betracht werden. In diesem Fall sind neben der Flächen- beziehungsweise Volumenänderung selbst jeweils zusätzlich vorzugsweise die erste und/oder zweite Ableitung von Interesse.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips können diese das Betriebsverhalten des Aktors 10 charakterisierende Größen ohne den Einsatz separater Messtechnik, das heißt rein modellbasiert, nachgebildet werden. Die erfindungsgemäß modellbasiert ermittelten Größen des Aktors 10 können beispielsweise eingesetzt werden, um eine Diagnose des Aktors 10 zu verbessern oder auch um einen Betrieb des Aktors 10 zu optimieren beziehungsweise neue Betriebsweisen des Aktors 10 zu ermöglichen. Insbesondere können erfindungsgemäß betriebene Elektromagneten 10 dazu verwendet werden, ein hierdurch angetriebenes Kraftstoff-Einspritzventil in einem so genannten Teilhubbereich zu betreiben, bei dem das Kraftstoff-Einspritzventil nicht vollständig geöffnet wird.
Im Rahmen der erfindungsgemäß verbesserten Diagnose des Aktors 10 kann beispielsweise nicht nur das Annehmen einer Endlage der beweglichen Komponente 11 erkannt werden, sondern es kann die tatsächliche Auslenkung beziehungsweise Position der beweglichen Komponente 11 ohne zusätzliche Sensorik ermittelt werden. Hieraus können Rückschlüsse über die ordnungsgemäße Funktion des Aktors 10 gezogen werden. Ferner ist ein Verschleißzustand des Aktors 10 unter Auswertung der erfindungsgemäß erhaltenen Größen möglich. Darüberhinaus kann eine Toleranzlage bestimmter Eigenschaften des Aktors 10 in Bezug auf entsprechende Nennwerte eines idealen Aktors 10 ermittelt werden.
Die erfindungsgemäß ermittelten Bewegungsgrößen des Aktors 10 ermöglichen auch eine optimierte Ansteuerung des Aktors 10 beispielsweise im Sinne einer Regelung oder gemäß vorgebbarer Gütekriterien wie beispielsweise time-optimal control, fuel-optimal control, dead-best-Verhalten. Ferner kann eine gezielte Vermeidung des Prellens bei durch den Aktor 10 betätigten Ventilen erreicht werden. Die erfindungsgemäß ermittelten Bewegungsgrößen des Aktors 10 ermöglichen darüberhinaus eine gezielte Ansteuerung des Aktors 10 derart, dass sich ein ballistischer Betrieb von mittels des Aktors 10 betätigten Ventilen ergibt. Darüberhinaus kann eine Optimierung des Aktorbetriebs hinsichtlich Geräuschemissionen realisiert werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Diagnoseverfahren, bei denen allenfalls eine elektronische Endstufe 23 (3), welche zur Ansteuerung des Aktors 10 verwendet wird, überprüft werden kann, beispielsweise auf einen Kurzschluss gegen Masse oder gegen eine Versorgungsspannung beziehungsweise auf einen Lastabfall oder Kabelbruch, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Erkennung von Fehlern, die in dem Aktor 10 selbst vorliegen. Beispielsweise kann bei einem als Elektromagnet ausgebildeten Aktor 10 durch das erfindungsgemäße Verfahren ein gebrochener Ferritkern erkannt werden, der trotz einer korrekten elektrischen Ansteuerung des Aktors 10 ein Fehlerbild derart hervorrufen kann, dass keine oder eine nur unzureichende Bewegung der beweglichen Komponente 11 durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Prinzip, bei dem ein kompletter Bewegungsverlauf der beweglichen Komponente 11 ermittelt und untersucht werden kann, ermöglicht eine weitaus präzisere Diagnose als die herkömmlichen Verfahren.
Insgesamt kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl der gesamte zeitliche Verlauf der Bewegung beziehungsweise Ausdehnung des Aktors 10 beziehungsweise seiner beweglichen Komponente 11 oder auch nur das Erreichen von die Bewegung begrenzenden Hubanschlägen oder Ausdehnungsgrenzen festgestellt beziehungsweise überwacht werden.
Sofern im Rahmen der erfindungsgemäßen Diagnose allein das Erreichen einer Endposition beziehungsweise Ausdehnungsgrenze der beweglichen Komponente 11 gewünscht ist, kann ein modifiziertes vereinfachtes Modell 100 eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Effekt einer sehr starken Änderung der Geschwindigkeit der beweglichen Komponente 11 des Aktors 10 ausgenutzt werden, die auftritt, wenn die bewegliche Komponente 11 ihre mechanische Endposition beziehungsweise Ausdehnungsgrenze erreicht. Dadurch ergibt sich für den Term
des vorstehenden Gleichungssystems eine sehr große Änderung aufgrund des bewegungsabhängigen Anteils der Induktivität L(s).
Bei dem vorliegend als Elektromagnet ausgebildeten Aktor 10 ergibt sich hierdurch für den Ansteuerstrom i beispielsweise ein verhältnismäßig starker Knick in seinem zeitlichen Verlauf, sobald die bewegliche Komponente 11 auf ihre mechanische Endposition auffährt. Durch die Erfassung des Zeitpunktes, bei dem der entsprechende Knick in dem Verlauf des Ansteuerstroms i auftritt, kann der tatsächliche Zeitpunkt des Erreichens der Endlage der beweglichen Komponente 11 ermittelt werden und als Basis für die erfindungsgemäße Diagnose herangezogen werden.
Zur Funktionsdiagnose des Aktors 10 kann ein erfindungsgemäß ermittelter Bewegungsverlauf während eines Ansteuerzyklus beispielsweise mit vorgebbaren Referenzverläufen verglichen werden. Durch Bewertung eines Abstands zwischen dem erfindungsgemäß ermittelten Bewegungsverlauf und dem Referenzverlauf kann auf eine Toleranzlage des Aktors 10 geschlossen werden. Durch eine Beobachtung der zeitlichen Änderung der Eigenschaften des Aktors 10, z. B. des Abstands zwischen dem erfindungsgemäß ermittelten Bewegungsverlauf und dem Referenzverlauf, kann ferner vorteilhaft der Verschleiß des Aktors 10 bzw. des ihn enthaltenden Einspritzventils bewertet werden und ggf. eine Tauschanzeige- bzw. Aufforderung generiert werden.
Bei verhältnismäßig schnellen zeitlichen Änderung der Eigenschaften des Aktors 10, z. B. des Abstands zwischen dem erfindungsgemäß ermittelten Bewegungsverlauf und dem Referenzverlauf, kann ferner auf einen Fehler in dem Aktor 10 geschlossen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Aktors (10), bei dem mindestens eine elektrische Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über einen Betrieb des Aktors (10), insbesondere über eine Bewegung und/oder eine Ausdehnung des Aktors (10), mittels eines das Betriebsverhalten des Aktors (10) beschreibenden Modells (100) ermittelt werden, dem als Eingangsgröße die mindestens eine elektrische Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der mindestens einen Ansteuergröße (u, i) erfasst und dem Modell (100) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Modells (100) eine Position (s_Mod) und/oder eine Geschwindigkeit (v_Mod) und/oder eine Beschleunigung (a_Mod) einer beweglichen Komponente (11) des Aktors (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter des Modells (100) dynamisch angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Modells (100) erhaltenen Informationen dazu verwendet werden, eine Diagnose des Aktors (10) durchzuführen und/oder einen Betrieb des Aktors (10) zu regeln.
Vorrichtung (20) zum Betreiben eines elektromechanischen Aktors (10), mit Mitteln (21) zur Erfassung mindestens einer elektrischen Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (22) zur Auswertung eines das Betriebsverhalten des Aktors (10) beschreibenden Modells (100) vorgesehen sind, denen als Eingangsgröße die mindestens eine elektrische Ansteuergröße (u, i) des Aktors (10) zuführbar ist, und die dazu ausgebildet sind, Informationen über einen Betrieb des Aktors (10), insbesondere über eine Bewegung und/oder eine Ausdehnung des Aktors (10) zu ermitteln.