DE102013110131B4

DE102013110131B4 - Device and method for controlling an actuator device

Info

Publication number: DE102013110131B4
Application number: DE102013110131.3A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Janocha; Leonardo Riccardi
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-14
Also published as: DE102013110131A1

Abstract

Vorrichtung zur Ansteuerung einer mindestens eine MSM-Expansionseinheit sowie eine Expansions-Gegenkraft erzeugende Rückstellmittel aufweisenden Aktuatorvorrichtung,mit Mitteln zum Erzeugen und Einbringen eines Elektromagnetflusses in die Expansionseinheit als Reaktion auf ein elektrisches Aktivierungssignal, insbesondere einen Aktivierungsstrom, und einer den Mitteln zum Erzeugen und Einbringen des Elektromagnetflusses vorgeschalteten elektronischen Regeleinheit, die zum Erreichen eines vorbestimmten Positions- und/oder Expansionsmaßes der Aktuatorvorrichtung eine Regelung des Aktivierungssignals durchführt,wobei das Positions- bzw. Expansionsmaß in Abhängigkeit vom Aktivierungssignal einem eine Hystereseform aufweisenden Verlauf folgt, die einen Expansionsschwellwert für das Aktivierungssignal aufweist, der niedriger als ein Maximalwert des Aktivierungssignals ist und bei welchem nach dem Erreichen des Maximalwerts das Positions- bzw. Expansionsmaß nicht unter eine vorbestimmte maximale Abweichung vom Endmaß des Positions- bzw. Expansionsmaßes fällt,wobeidie elektronische Regeleinheit eine eine Integration der Regelabweichung zwischen dem vorbestimmten und einem momentanen Positions- bzw. Expansionsmaß bewirkende Regelfunktionalität realisiertund der Regeleinheit Resetmittel zugeordnet sind, die so ausgebildet sind, dass nach Ablauf eines einer Expansion zugeordneten, vorbestimmten Zeitintervalls ein Zurücksetzen der Integration auf den Expansionsschwellwert bewirkt wird.Device for controlling an actuator device having at least one MSM expansion unit and a restoring means generating expansion counterforce, with means for generating and introducing an electromagnetic flux into the expansion unit in response to an electrical activation signal, in particular an activation current, and one of the means for generating and introducing the Electromagnetic flow connected upstream electronic control unit, which performs a control of the activation signal to achieve a predetermined position and / or expansion measure of the actuator device, the position or expansion measure depending on the activation signal follows a course having a hysteresis shape, which has an expansion threshold value for the activation signal, which is lower than a maximum value of the activation signal and in which, after reaching the maximum value, the position or expansion measure is not below a predetermined value e maximum deviation from the final dimension of the position or expansion measure falls, the electronic control unit realizing an integration of the control deviation between the predetermined and a current position or expansion measure and realizing control functions and assigned to the control unit reset means which are designed such that after a an expansion associated with a predetermined time interval causes the integration to be reset to the expansion threshold.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Aktuatorvorrichtung, welche mindestens eine ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial (MSM = magnetic shape memory) aufweisende Expansionseinheit aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen Aktuatorvorrichtung, und die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer gattungsgemäßen Vorrichtung.The present invention relates to a device for controlling an actuator device which has at least one expansion unit having a magnetic shape memory alloy material (MSM = magnetic shape memory). Furthermore, the present invention relates to a method for controlling such an actuator device, and the present invention relates to the use of a generic device.

Aus dem Stand der Technik sind Aktuatorvorrichtungen als allgemein bekannt vorzusetzen, welche einen aus einem MSM-Material realisierten Kristall als Expansionseinheit aufweisen, um im Zusammenwirken mit einer geeigneten Stößeleinheit od.dgl. als Stellpartner die Aktuatorvorrichtung zu realisieren. Die eigentliche Aktuatorik basiert dabei auf dem Prinzip, dass als Reaktion auf das Einleiten eines Magnetflusses in die MSM-Expansionseinheit diese (bei Überschreiten eines spezifischen Schwellwertes) eine vorbestimmte Expansion durchführt (üblicherweise in der Größenordnung von ca. 5 % der Längenausdehnung der Expansionseinheit im nicht-expandierten Zustand und entlang der Expansionsrichtung), so dass auf diese Weise dann bei einends festgelegtem Kristallkörper die gewünschte Bewegung auf den Stellkörper übertragen werden kann. Vorteile der MSM-Technologie zur Realisierung einer Aktuatorvorrichtung liegen neben einer hohen Schaltdynamik (mit entsprechend kurzen Schaltzeiten) und einer sehr großen Anzahl von möglichen Schaltzyklen (sogenannte Schaltspielzahl) in der Wirkung, dass ein expandierter MSM-Kristall nach dem Beenden des magnetischen Flusseintrags in der expandierten Stellung verbleibt (insoweit stromlos stabil ist) und erst beim Beaufschlagen mit einer mechanischen Rückstellkraft (damit entgegengesetzt der Expansionsrichtung) oberhalb eines Rückstell-Schwellwerts eine Zurückführung in eine nicht-expandierte Ausgangslage erfolgt. Entsprechend zeigen MSM-Expansionseinheiten, welche typischerweise einen auf der Basis von NiMnGa gebildeten Kristall aufweisen, ein ausgeprägtes Hystereseverhalten, und es werden derartigen, als bekannt und gattungsbildend vorausgesetzten MSM-Expansionseinheiten typischerweise Rückstellmittel zur Erzeugung der notwendigen, rückstellenden Gegenkraft zugeordnet. Diese können prinzipiell beliebig realisiert sein, bekannt ist es gleichwohl, derartige Rückstellmittel mit einer weiteren MSM-Expansionseinheit (bevorzugt mit vergleichbaren elektrischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften wie der eigentliche Kristall für die MSM-Expansionseinheit) zu versehen (sog. Push-Push-Aktor), so dass insoweit elektrische Ansteuer- und Stellvorgänge zum Erzeugen jeweiliger (elektromagnetisch erzeugter) Magnetflüsse gleich zueinander ausgestaltet werden können. Insbesondere eine analog zur MSM-Expansionseinheit als Rückstellmittel eingesetzte weitere MSM-Expansionseinheit ermöglicht zudem durch geeignete Ansteuererung bzw. Regelung des Paares der MSM-Expansionseinheiten das einfache und positionssichere Einstellen der Akturators auf gewünschte Positionen, auch Zwischenpositionen unterhalb eines (jeweiligen) Endmaßes in der Positionierung bzw. Expansion der MSM-Expansionseinheit. Auch existieren MSM-Technologien, bei welchen als Reaktion auf das Anliegen des Magnetflusses keine mechanische Expansion im Sinne einer (Längen-)Ausdehnung stattfindet, vielmehr verringert sich hier die Länge als Reaktion auf den Magnetfluss. Insoweit ist der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff der „Expansion“ bzw. „Expansionseinheit“ stets auch als Technologie zu verstehen, welche statt einer positiven Längenänderung (also Vergrößerung) auch eine negative Längenänderungen im Wege einer Kontraktion durchführt. Damit ist der Begriff der „Expansion“ bzw. der „Expansionsmittel“ steht sowohl im Zusammenhang mit positiver, als auch negativer Längenänderung zu verstehen und auszulegen; zur Rückstellung einer entsprechend negativen Expansion würde dann anstelle einer geeigneten Druckkraft eine entsprechend ziehende Kraft auf den (negativ expandierten) Kristall wirken.Actuator devices are known from the prior art as generally known, which have a crystal made of an MSM material as an expansion unit, or the like in cooperation with a suitable tappet unit. to implement the actuator device as a control partner. The actual actuator system is based on the principle that in response to the introduction of a magnetic flux into the MSM expansion unit (if a specific threshold value is exceeded) it performs a predetermined expansion (usually in the order of approx. 5% of the linear expansion of the expansion unit in the non-expansion unit -expanded state and along the direction of expansion), so that the desired movement can then be transmitted to the actuating body in this way when the crystal body is fixed at one end. In addition to high switching dynamics (with correspondingly short switching times) and a very large number of possible switching cycles (so-called number of switching cycles), the advantages of the MSM technology for realizing an actuator device are that an expanded MSM crystal after the magnetic flux input has ended in the expanded position remains (insofar as it is de-energized stable) and only when a mechanical restoring force (thus opposite to the direction of expansion) is applied above a restoring threshold value does a return to a non-expanded starting position take place. Correspondingly, MSM expansion units, which typically have a crystal formed on the basis of NiMnGa, show a pronounced hysteresis behavior, and such, known and generic MSM expansion units are typically assigned restoring means for generating the necessary restoring counterforce. In principle, these can be implemented as desired, but it is nevertheless known to provide such reset means with a further MSM expansion unit (preferably with comparable electrical, mechanical and magnetic properties as the actual crystal for the MSM expansion unit) (so-called push-push actuator ), so that electrical control and actuation processes for generating respective (electromagnetically generated) magnetic fluxes can be configured in the same way. In particular, a further MSM expansion unit used as a resetting means, analogous to the MSM expansion unit, also enables suitable adjustment and control of the pair of MSM expansion units to easily and securely position the acturator to desired positions, including intermediate positions below a (respective) gauge block in the positioning or expansion of the MSM expansion unit. There are also MSM technologies in which there is no mechanical expansion in the sense of a (length) expansion in response to the application of the magnetic flux, rather the length is reduced here in response to the magnetic flux. In this respect, the term “expansion” or “expansion unit” used in the context of the present invention is always also to be understood as a technology which, instead of a positive change in length (ie enlargement), also carries out a negative change in length by means of a contraction. The term “expansion” or the “means of expansion” is thus to be understood and interpreted in connection with both positive and negative changes in length; To reset a correspondingly negative expansion, a corresponding pulling force would then act on the (negatively expanded) crystal instead of a suitable compressive force.

Die vorbeschriebenen Eigenschaften der als MSM-Expansionseinheit verwendeten Kristalle führen zu einem Betriebsverhalten, dass zum Erreichen eines einer maximalen Expansion entsprechenden Endmaßes in der Positionierung bzw. Expansion der Akturatorvorrichtung eine Bestromung mit einem geeignet einzustellenden Aktivierungsstrom (als elektrisches Aktivierungssignal zum Bewirken der Expansion der MSM-Expansionseinheit) erfolgt, woraufhin dann in der bekannten Weise das Expansionsverhalten des Kristalls bewirkt wird. Das Hystereseverhalten der MSM-Expansionseinheit führt dann gleichwohl dazu, dass zum Aufrechterhalten dieses Endmaßes in der Expansion ein geringerer Aktivierungsstrom notwendig ist (im Idealfall wäre dieser gleich Null), als es dem für die Expansion verwendeten und angesteuerten Aktivierungsstrom entspricht. Wird dann, etwa unter Nutzung einer Spuleneinheit zum Erzeugen des Elektromagnetflusses vorgeschalteter elektronischer Regler verwendet, würde dieser, insbesondere bei der Verwendung einer integrierenden Reglerfunktionalität bzw. Reglerfunktion (wie sie etwa die I-Komponente eines PID-Reglers realisiert) dazu führen, dass im Wege der Integration erst sehr langsam der (hohe) Aktivierungsstrom in dieser Endposition reduziert wird. Potentiell nachteilige Konsequenz ist, dass bis zum Erreichen des stationären Zustands durch die elektronische Regeleinheit eine Ansteuerung mit einem Aktivierungssignal (insbesondere Aktivierungsstrom für die Magnetfluss-Erzeugungsmittel, nämlich die Spulen) erfolgt, so dass unnötig Energie verbraucht wird und die Stelltechnologie (genauer: Die Ansteuerung für eine MSM-Aktuatortechnologie) ineffizient und damit verbesserungsbedürftig ist.The above-described properties of the crystals used as the MSM expansion unit lead to an operating behavior that, in order to achieve a final dimension corresponding to a maximum expansion in the positioning or expansion of the actor device, current is supplied with a suitable activation current (as an electrical activation signal for effecting the expansion of the MSM Expansion unit) takes place, whereupon the expansion behavior of the crystal is then effected in the known manner. The hysteresis behavior of the MSM expansion unit then nevertheless means that a lower activation current is required to maintain this gauge in the expansion (ideally this would be zero) than corresponds to the activation current used and controlled for the expansion. If upstream electronic controllers are used, for example using a coil unit, to generate the electromagnetic flux, this would lead to obstacles, particularly when using an integrating controller functionality or controller function (such as is implemented by the I component of a PID controller) the (high) activation current is only slowly reduced in this end position. The potentially disadvantageous consequence is that until the stationary state is reached by the electronic control unit, activation with an activation signal (in particular activation current for the magnetic flux generation means, namely the coils) takes place, so that energy is unnecessarily consumed and the actuating technology (more precisely: the activation for one MSM actuator technology) is inefficient and therefore in need of improvement.

Eine gattungsbildende Vorrichtung zur Ansteuerung einer Aktuatorvorrichtung ist aus dem wissenschaftlichen Artikel von Riccardi, L. [et al.] bekannt, der unter dem Titel „PID control of linear systems with an input hysteresis described by Prandtl-Ishlinskii models.“ bei der „51st IEEE Conference on Decision and Control, Dezember 10-13, 2012, 5158-5163“ veröffentlicht wurde (ISBN 978-1-4673-2066-5). Allerdings offenbart dieser Stand der Technik nicht Rückstellmittel sowie die Reset-Funktionalität.A generic device for controlling an actuator device is known from the scientific article by Riccardi, L. [et al.], Which, under the title “PID control of linear systems with an input hysteresis described by Prandtl-Ishlinskii models.” At “51st IEEE Conference on Decision and Control, December 10-13, 2012, 5158-5163 ”(ISBN 978-1-4673-2066-5). However, this prior art does not disclose reset means or the reset functionality.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer mindestens eine MSM-Expansionseinheit sowie eine Expansions-Gegenkraft erzeugende Rückstellmittel aufweisende Aktuatorvorrichtung im Hinblick auf ihre Energieeffizienz zu verbessern, dabei insbesondere das zum Halten der Aktuatorvorrichtung in einem Endmaß des Positions- bzw. Expansionsmaßes der MSM-Expansionseinheit benötigte elektrische Aktivierungssignal (also etwa einen Aktivierungsstrom für zur Erzeugung des Elektromagnetflusses verwendete Spulen) effizienter zu gestalten und insbesondere dieses Aktivierungssignal auf einem den elektrischen Energieverbrauch optimierenden Pegel zu halten bzw. zu regeln. Ferner ist ein entsprechendes Ansteuerverfahren für eine derartige Aktuatorvorrichtung zu schaffen, und es sind bevorzugte Verwendungen für eine derartige Vorrichtung zu schaffen.The object of the present invention is therefore to improve a device for controlling an actuator device which has at least one MSM expansion unit and a restoring means which generates expansion counterforce, in particular with regard to its energy efficiency, in particular that for holding the actuator device in a final dimension of the position or Expansion measure of the MSM expansion unit required to make the electrical activation signal (for example an activation current for coils used to generate the electromagnetic flux) more efficient and in particular to keep or regulate this activation signal at a level which optimizes the electrical energy consumption. Furthermore, a corresponding control method for such an actuator device has to be created and preferred uses for such a device have to be created.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Ansteuerung einer Aktuatorvorrichtung nach dem Hauptanspruch, ferner das Verfahren zur Ansteuerung einer mindestens eine MSM-Expansionseinheit sowie Rückstellmittel aufweisende Aktuatorvorrichtungen nach dem unabhängigen Patentanspruch 8 sowie Verwendungen nach den Patentansprüchen 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben, wobei die als Unteransprüche auf den Hauptanspruch rückbezogenen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung als gleichermaßen weiterbildend für das erfindungsgemäße Verfahren als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten sollen.The object is achieved by the device for controlling an actuator device according to the main claim, furthermore the method for controlling an actuator device having at least one MSM expansion unit and restoring means according to independent claim 8 and uses according to claims 9 and 10. Advantageous further developments of the invention are described in the subclaims, the further developments of the apparatus according to the subclaims relating to the main claim to be considered as equally further developing for the method according to the invention as being part of the present disclosure.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird die den Mitteln zum Erzeugen und Einbringen des Elektromagnetflusses vorgeschaltete elektronische Regeleinheit in ihrem Regelverhalten des elektrischen Aktivierungssignals (also etwa des Aktivierungsstroms für die Spuleneinheit) beeinflusst, dergestalt, dass nach einem tatsächlichen oder (entsprechend einem geeignet vorbestimmten Zeitverlauf angenommenen) Erreichen des Endmaßes oder eines zwischenliegenden vorbestimmten Sollmaßes des Positions- bzw. Expansionsmaßes (entsprechend der vorbestimmten bzw. eingerichteten Expansion der MSM-Expansionseinheit) die Integral-Komponente der Regelfunktionalität einen Reset erfährt, nämlich erfindungsgemäß auf den Expansionsschwellwert zurückgesetzt wird.Advantageously according to the invention, the electronic control unit upstream of the means for generating and introducing the electromagnetic flux is influenced in its control behavior of the electrical activation signal (that is to say, for example, the activation current for the coil unit) in such a way that it is reached after an actual or (according to a suitably predetermined time course) of the final dimension or an intermediate predetermined target dimension of the position or expansion dimension (corresponding to the predetermined or established expansion of the MSM expansion unit) the integral component of the control functionality is reset, namely reset according to the invention to the expansion threshold value.

Im Rahmen der Erfindung muss dieses Zurücksetzen der elektronischen Regeleinheit, welche weiterbildungsgemäß eine PID-Regelfunktionalität aufweist bzw. eine derartige Regelfunktion realisiert, nicht notwendigerweise exakt zum Zeitpunkt der Erreichens des Endmaßes geschehen; in der bevorzugten und für die praktische Realisierung der Erfindung wichtigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt dieses Zurücksetzen (Reset) vielmehr nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls, welches typischerweise mit dem Anlegen bzw. Aktivieren des Aktivierungssignals (z.B. Spulen-Steuerstroms) beginnt und so bemessen ist, dass bei typischem Expansionsverhalten das Endmaß der Expansion (sicher, ggf. unter Berücksichtigung zusätzlicher Pufferzeiten) erreicht ist.In the context of the invention, this resetting of the electronic control unit, which according to a further development has a PID control functionality or implements such a control function, does not necessarily have to occur exactly when the final dimension is reached; In the preferred embodiment of the invention which is important for the practical implementation of the invention, this reset takes place rather after a predetermined time interval has elapsed, which typically begins with the application or activation of the activation signal (for example coil control current) and is dimensioned such that with typical expansion behavior, the final dimension of the expansion has been reached (safely, taking additional buffer times into account if necessary)

Dieses erfindungsgemäß ausgestaltete Regelverhalten der elektronischen Regeleinheit führt dann im Signalverlauf des elektrischen Aktivierungssignals dazu, dass ein sprunghaftes Absinken dieses Aktivierungssignals auf den Expansionsschwellwert erfolgt, mit der für die elektrische Energieeffizienz vorteilhaften Wirkung, dass damit bereits zu diesem Reset-Zeitpunkt eine signifikante Reduzierung des elektrischen Energieverbrauchs erreicht ist und nicht etwa im weiteren Regelverlauf erst entsprechend dem Regelverhalten graduell abgesenkt werden muss. Diese Differenz in den jeweiligen Kurven über der Zeit beschreibt dann insoweit die erfindungsgemäß erreichbare elektrische Energieersparnis.This control behavior of the electronic control unit, which is designed according to the invention, then leads in the signal course of the electrical activation signal to a sudden drop in this activation signal to the expansion threshold value, with the effect advantageous for electrical energy efficiency that a significant reduction in electrical energy consumption is thus already achieved at this reset time is reached and does not have to be gradually lowered as the control behavior progresses. This difference in the respective curves over time describes the electrical energy savings achievable according to the invention.

Im Rahmen der praktischen Realisierung der Erfindung weist das Positions- bzw. Expansionsmaß (also der Verlauf der Expansionsbewegung) in Abhängigkeit vom Aktivierungssignal (also etwa dem Spulenstrom) im vorbeschriebenen Hystereseverlauf einen Expansionsschwellwert für das Aktivierungssignal (also damit einen Stromschwellwert) auf, welcher der Schwelle entspricht, bis zu welcher, ohne Kontraktion und damit Verringerung des Positions- bzw. Expansionsmaßes vom Endmaß, das Aktivierungssignal (Spulenstrom) abgesenkt werden kann; diese Größe bildet insoweit die Grundlage für die erfindungsgemäße Beeinflussung des Regelverhaltens der elektronischen Regeleinheit durch den Reset. In der praktischen Realisierung der Erfindung, nicht zuletzt aufgrund von Materialgegebenheiten, Toleranzen und nicht vollständiger Symmetrie etwa bei einem Push-Push-Aktorsystem mit zusätzlicher MSM-Expansionseinheit als Rückstellmittel, liegt dieser Expansionsschwellwert für das Aktivierungssignal oberhalb von Null und wird idealerweise in einem dem praktischen Ansteuerbetrieb vorangehenden Mess- bzw. Erfassungsschritt spezifisch für die konkrete MSM-Expansionseinheit (bzw. für die gekoppelte Aktuatorvorrichtung) festgestellt und, etwa im Rahmen weiterer, mittels digitaler Steuergruppen realisierter Steuer- und Regelinfrastruktur, geeignet gespeichert.As part of the practical implementation of the invention, the position or expansion measure (i.e. the course of the expansion movement) has an expansion threshold for the activation signal (thus therefore a current threshold value) depending on the activation signal (i.e. the coil current) in the hysteresis curve described above, which is the threshold corresponds to the extent to which the activation signal (coil current) can be lowered without contraction and thus reduction of the position or expansion measure from the final measure; this quantity forms the basis for influencing the control behavior of the electronic control unit according to the invention through the reset. In the practical implementation of the invention, not least due to material conditions, tolerances and incomplete symmetry, for example in the case of a push-push actuator system with an additional MSM expansion unit as a resetting means, this expansion threshold value for the activation signal is above zero and ideally becomes practical Control operation preceding measurement or acquisition step specifically determined for the specific MSM expansion unit (or for the coupled actuator device) and stored suitably, for example in the context of further control and regulation infrastructure implemented by means of digital control groups.

Im Rahmen praktischer Realisierungen der Erfindung und einem als elektrisches Aktivierungssignal geregelten Spulenstrom liegt ein solcher Strom-Expansionsschwellwert üblicherweise im Bereich zwischen 15 % und 60 %, insbesondere zwischen 25 % und 40 %, des für das Erreichen des Maximalwerts bzw. eines vorbestimmten Soll- bzw. Zwischenwertes vorgesehenen Spulenstroms.In the context of practical implementations of the invention and a coil current regulated as an electrical activation signal, such a current expansion threshold value usually lies in the range between 15% and 60%, in particular between 25% and 40%, of the amount required for reaching the maximum value or a predetermined target or Provided intermediate coil current.

Entsprechend wird als erfindungsgemäße maximale Abweichung ein Längenmaß bestimmt, welches in der praktischen Handhabung maximal 5 %, bevorzugt weniger als 3 %, weiter bevorzugt weniger als 2 %, vom Endmaß abweicht, so dass, entsprechend einer jeweiligen Verwendung der Erfindung, durch Ausgestaltung dieses Endmaßes eine Anpassung an konkrete Einsatz-, Stell- und Regelbedingungen getroffen werden kann. Correspondingly, a length dimension is determined as the maximum deviation according to the invention which deviates from the final dimension by a maximum of 5%, preferably less than 3%, more preferably less than 2%, so that, according to a particular use of the invention, by designing this final dimension an adaptation to specific operating, control and control conditions can be made.

Auch wenn gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung die Rückstellmittel selbst über die (weitere) MSM-Expansionseinheit realisiert werden, so dass das Push-Push-Aktuatorprinzip realisiert wird, und auf diese Weise dann in der Art einer symmetrischen Hystereseform ein weiterer, entsprechend entgegengerichteter Expansionschwellwert für das weitere Aktivierungssignal des weiteren (zusätzlichen) MSM-Kristalls entsteht (insoweit, erfindungsgemäß, eine antagonistische Funktionalität der weiteren MSM-Expansionseinheit zur ursprünglichen MSM-Expansionseinheit realisiert ist), ist die vorliegende Erfindung gleichwohl nicht auf diesen Fall der Realisierung der Aktuatorvorrichtung beschränkt. Vielmehr sieht die vorliegende Erfindung auch eine Realisierung der Rückstellmittel zur Erzeugung der Expansions-Gegenkraft für die MSM-Expansionseinheit für andere übliche Rückstellmittel vor, etwa rein elektromagnetisch betätigbare Rückstellmittel, mechanische Federn, permanentmagnetische Rückstellmittel oder etwa thermische Formgedächtnislegierungen.Even if, according to preferred developments of the invention, the resetting means themselves are implemented via the (further) MSM expansion unit, so that the push-push actuator principle is implemented, and in this way, in the manner of a symmetrical hysteresis form, a further, correspondingly opposed expansion threshold value for the further activation signal of the further (additional) MSM crystal arises (insofar as, according to the invention, an antagonistic functionality of the further MSM expansion unit to the original MSM expansion unit is realized), the present invention is nevertheless not restricted to this case of realizing the actuator device. Rather, the present invention also provides an implementation of the restoring means for generating the counter-expansion force for the MSM expansion unit for other common restoring means, such as purely electromagnetically actuated restoring means, mechanical springs, permanent magnetic restoring means or thermal shape memory alloys.

Auch sind die erfindungsgemäß beanspruchten Verwendungen der Ansteuervorrichtung für die Aktuatorvorrichtung aufweisende Ventilmittel bevorzugt (wobei, etwa für die Ventile, ein Kraftfahrzeug- bzw. Fahrzeugkontext weiter bevorzugt ist), gleichwohl sind auch diese bevorzugten Verwendungen lediglich exemplarisch, und die vorliegende Erfindung eignet sich prinzipiell für beliebige Verwendungen der erfindungsgemäß angesteuerten Aktuatorvorrichtungen.The uses of the control device claimed for the actuator device for the valve device are preferred (although, for the valves, for example, a motor vehicle or vehicle context is more preferred), however, these preferred uses are also only exemplary and the present invention is suitable in principle for any use of the actuator devices controlled according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

1: eine Schemaansicht einer nach dem Push-Push-Aktuatorprinzip aufgebauten, ein Paar von MSM-Expansioneinheiten aufweisenden Aktuatorvorrichtung zur Ansteuerung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2: eine Darstellung der Hystereseform bzw. des Verlaufs des Positions- bzw. Expansionsmaßes in Abhängigkeit vom Aktivierungssignal (hier: Aktivierungs- bzw. Spulenstrom) der Push-Push-Aktuatorvorrichtung in 1;
3: Darstellungen des Verlaufs des Positions- bzw. Expansionsmaßes sowie des zugehörigen Spulenstroms als Aktivierungssignal über der Zeit bei einem als gattungsbildend vorausgesetzten PID-Regler aus dem Stand der Technik und
4: zwei Verlaufsdarstellungen analog 3, wobei dem Spulenstromverlauf des PID-Reglers gemäß 3 der äquivalente Stromverlauf mit erfindungsgemäßem Reset gegenübergestellt ist.

Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and with reference to the drawings; these show in:

1 a schematic view of an actuator device constructed according to the push-push actuator principle and having a pair of MSM expansion units for control by the device according to the invention in accordance with a first embodiment;
2nd : A representation of the hysteresis shape or the course of the position or expansion measure as a function of the activation signal (here: activation or coil current) of the push-push actuator device in 1 ;
3rd : Representations of the course of the position or expansion measure and the associated coil current as an activation signal over time with a generic PID controller from the prior art and
4th : two progress graphs analog 3rd , according to the coil current profile of the PID controller 3rd the equivalent current profile is compared with a reset according to the invention.

Die 1 verdeutlicht als mögliche Ausführungsform zur Realisierung der vorliegenden Erfindung eine nach dem Push-Push-Prinzip arbeitende Aktuatorvorrichtung, bestehend aus einem ersten MSM-Kristallkörper 10 (Element A) und einem diesem rückstellend antagonistisch gegenüber angeordneten zweiten MSM-Kristallkörper 12 (Element B). Beide Expansionseinheiten sind im gemeinsamen Übergangsbereich mit einem Schubelement 14 verbunden, welches entsprechend einer jeweiligen Auslenkung in der Figurenebene in horizontaler Richtung verstellt wird; der Doppelpfeil 16 verdeutlicht die durch die Aktuatorvorrichtung der 1 ermöglichte Verstellung in der durch das schematische Koordinatensystem gezeigten x-Richtung.The 1 illustrates, as a possible embodiment for realizing the present invention, an actuator device working according to the push-push principle, consisting of a first MSM crystal body 10th (Element A ) and a second MSM crystal body arranged antagonistically to this 12th (Element B ). Both expansion units are in the common transition area with a push element 14 connected, which is adjusted according to a respective deflection in the plane of the figure in the horizontal direction; the double arrow 16 illustrates the by the actuator device of the 1 enables adjustment in the x-direction shown by the schematic coordinate system.

In ansonsten bekannter Weise sind den Expansionskörpern 10, 12 (in den Fig. nicht gezeigt) Spuleneinheiten zugeordnet, welche als Reaktion auf eine Bestromung mit einem geeigneten Aktivierungsstrom einen jeweiligen Flusseintrag (Pfeilschaare 18 bzw. 20) bewirken; dieser Flusseintrag erfolgt in ansonsten bekannter Weise entlang der Y-Koordinate orthogonal und sorgt im beschriebenen Ausführungsbeispiel für die Expansion der in der gezeigten Weise aufeinander gerichteten, antagonistischen, aus einem NiMnGa-Kristallkörper gebildeten Expansionseinheiten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt eine jeweilige nicht-expandierte Länge entlang der Expansionsrichtung (x) ca. 20mm; die Kantenlängen der dazu orthogonalen Stirnfläche betragen ca. 3mm bzw. 5mm. Eine Bestromung, vgl. 2, erfolgt bis zu einer Stromstärke von ca. 4A und bewirkt einen maximalen Expansionshub von jeweils ca. 130µm bis 150µm.In an otherwise known manner are the expansion bodies 10th , 12th (Not shown in the figures) assigned to coil units which, in response to energization with a suitable activation current, have a respective flux input (arrow arrays 18th respectively. 20th ) cause; this flow entry takes place in an otherwise known manner orthogonally along the Y coordinate and, in the exemplary embodiment described, ensures the expansion of the antagonistic expansion units, which are directed towards one another and are formed from a NiMnGa crystal body. In the exemplary embodiment shown, a respective unexpanded length along the direction of expansion (x) is approximately 20 mm; the edge lengths of the end face orthogonal to this are approx. 3 mm or 5mm. Current supply, cf. 2nd , takes place up to a current of approx. 4A and causes a maximum expansion stroke of approx. 130µm to 150µm.

Die 2 verdeutlicht das ausgeprägte Hystereseverhalten der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsform; es wird deutlich, dass wenn etwa durch Aktivieren des Expansionskörpers 10 (Element A) mit einem maximalen Steuerstrom, und entsprechender magnetischer Durchflutung (18) von 3,5A die maximale Auslenkung von ca. 125µm in 2 erreicht ist, dieser Steuerstrom bis auf eine Schwelle (Expansionsschwellwert) von ca. 0,8A (entsprechend der Linie I_A ^min) fallen kann, bis die Auslenkung um einen merkbaren Hub (hier angenommen bei 2% der maximalen Auslenkung) zurückfällt. Gleiches gilt für das antagonistisch vorgesehene Element B (als zusammenwirkender Rückstell-MSM-Kristallkörper 12); hier liegt bei maximaler Expansion in entgegengesetzter Richtung von ca. -150µm der maximale Spulenstrom als Aktivierungsstrom bei ca. -2,5A, und auch hier liegt ein entsprechender (hier entsprechend negativer) Expansionsschwellwert bei ca. -0,8A bis -0,9A wiederum bezogen auf die angenommene Abeichung von 2% vom Positions- bzw. Expansionsendmaß. Die leichten Abweichungen in der Symmetrie sind das Ergebnis nicht perfekt gepaarter Kristallkörper in der gezeigten Konfiguration.The 2nd illustrates the pronounced hysteresis behavior in connection with 1 described embodiment; it becomes clear that if, for example, by activating the expansion body 10th (Element A ) with a maximum control current and corresponding magnetic flux ( 18th ) of 3.5A the maximum deflection of approx. 125µm in 2nd is reached, this control current can drop to a threshold (expansion threshold) of approx.0.8A (corresponding to the line I _A ^min ) until the deflection falls back by a noticeable stroke (assumed here at 2% of the maximum deflection). The same applies to the antagonistic element B (as a cooperating reset MSM crystal body 12th ); Here, with maximum expansion in the opposite direction of approx. -150µm, the maximum coil current as activation current is approx. -2.5A, and here, too, a corresponding (here correspondingly negative) expansion threshold is approx. -0.8A to -0.9A again based on the assumed deviation of 2% from the final position or expansion dimension. The slight deviations in symmetry are the result of imperfectly paired crystal bodies in the configuration shown.

Die Hystereskurve der 2 verdeutlicht zudem, dass ein vergleichbares Verhalten auch für solche Bewegungszustände (wiederum in positiver, als auch negativer Hub- bzw. Auslenkungsrichtung) erfolgt, wenn durch den flusserzeugenden Spulen zur Flusserzeugung 18, 20 vorgeschaltete Regelmittel nicht auf die maximale Hub- bzw. Endpositionen der 2 geregelt wird, sondern auf Zwischenpositionen, exemplarisch etwa auf +50µm Auslenkung in 2, geregelt wird.The hysteresis curve of the 2nd also clarifies that a comparable behavior also occurs for such movement states (again in positive as well as negative stroke or deflection direction) when the flux-generating coils are used to generate the flux 18th , 20th upstream control means not to the maximum stroke or end positions of the 2nd is regulated, but on intermediate positions, for example about + 50µm deflection in 2nd , is regulated.

Der Vergleich der 3 und 4 verdeutlicht nunmehr die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung am gezeigten Ausführungsbeispiel der 1, 2, wobei die Diagramme der 3 den Betrieb eines als gattungsbildend vorausgesetzten PID-Reglers zur jeweiligen Flusserzeugung und Flussregelung für den Expansionskörper 10 mit einer modifizierten Reglerkonfiguration in 4 gegenüberstellen, bei welcher erfindungsgemäß nach dem Erreichen eines (maximalen oder vorbestimmten Soll-)Hubs, oder nach dem Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls, ein Zurücksetzen (Reset) der Integrationskomponente in der PID-Regelfunktion des erfindungsgemäß verwendeten Reglers auf den Expansionsschwellwert 0,8A erfolgt.The comparison of the 3rd and 4th illustrates the mode of operation of the present invention using the exemplary embodiment shown in FIG 1 , 2nd , the diagrams of 3rd the operation of a generic PID controller for the respective flow generation and flow control for the expansion body 10th with a modified controller configuration in 4th juxtaposition in which, according to the invention, after reaching a (maximum or predetermined target) stroke, or after a predetermined time interval, the integration component in the PID control function of the controller used according to the invention is reset to the expansion threshold value 0.8A.

Es wird unmittelbar deutlich, dass im konventionellen Fall der 3 bei Bestromung der zur Flusserzeugung 18 vorgesehenen Spule zum Zeitpunkt t = 1sec durch den anliegenden maximalen Strom die Stößeleinheit 14 sehr schnell in die aus 2 ersichtliche maximale Auslenk- und Endposition von ca. 125µm gebracht wird. Die in 3 oben zusätzlich gezeigte ideal-rechteckförmige Verlaufsform („Reference“) zeigt, wie schnell und gut diese Bewegung des MSM-Kristallkörpers dem Idealverlauf folgt.It is immediately clear that in the conventional case the 3rd when current is supplied to the river 18th provided coil at the time t = 1sec by the maximum current applied to the plunger unit 14 very quickly in the out 2nd apparent maximum deflection and end position of approx. 125µm is brought. In the 3rd The ideal rectangular shape (“Reference”) shown above shows how quickly and well this movement of the MSM crystal body follows the ideal shape.

Der zugeordnete Spulenstromverlauf zur Erzeugung des Magnetflusses 18 im unteren Diagramm der 2 verdeutlicht dagegen, dass durch Wirkungen, insbesondere der Integrator-Komponente im PID-Regelverhalten es mehr als 8sec dauert, bis nach dem Erreichen des Stellmaximums der Spulenstrom (Aktivierungsstrom) die Marke von 1A erreicht, und selbst hier wäre noch nicht einmal der im Zusammenhang mit der 2 verdeutlichte Expansionsschwellwert erreicht, bei welchem überhaupt erst eine merkliche Kontraktion des MSM-Kristalls 10 und mithin ein Abfallen aus der ausgelenkten Position bemerkbar wäre. Diese Stromdifferenz (welche sich dann quadriert und über den skizzierten Zeitraum als Verlustleistung und mithin Optimierungspotenzial darstellt) lässt sich nunmehr durch die erfindungsgemäße Modifikation gemäß 4 beeinflussen: Wiederum erfolgt, wie die 4 im oberen Diagramm verdeutlicht, bei Beginn der Bestromung (t = 1sec) ein steiler Anstieg der Auslenkung des Stößels 14 bis zum Expansionsmaximum, analog zum vorbeschriebenen Stand der Technik; der erfindungsgemäß verwendete PID-Regler arbeitet in diesem Betriebszustand völlig gleich.The assigned coil current curve for generating the magnetic flux 18th in the diagram below 2nd on the other hand clarifies that through effects, in particular the integrator component in the PID control behavior, it takes more than 8 seconds for the coil current (activation current) to reach the mark of 1A after reaching the maximum setting, and even here it would not even be the case in connection with the 2nd Clear expansion threshold reached, at which a noticeable contraction of the MSM crystal 10th and therefore a drop from the deflected position would be noticeable. This current difference (which is then squared and represented as power loss and therefore optimization potential over the sketched period) can now be modified by the modification according to the invention 4th influence: Again done like that 4th The diagram above shows that at the beginning of the current supply (t = 1sec) a steep increase in the deflection of the ram 14 up to the maximum of expansion, analogous to the previously described prior art; the PID controller used according to the invention works in exactly the same way in this operating state.

Dagegen lässt die 4 unmittelbar den Vorteil des zum Zeitpunkt t = 2sec durchgeführten Reset der Integrator-Komponente in der PID-Regelfunktion auf den Expansionsschwellwert von ca. 0,8A erkennen: Im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde für den Zeitpunkt t = 2sec, also eine Sekunde nach dem Beginn des Aktivierungssignals, angenommen, dass die Aktuatorvorrichtung zuverlässig ihre vorbestimmte bzw. Endposition erreicht hat, und wie die Diskontinuität im unteren Diagramm der 4 für den durch den Reset beeinflussten Stromverlauf verdeutlicht, fällt zu diesem Zeitpunkt das Aktivierungssignal an der zum Kristallkörper 10 gehörigen Spule auf den Expansionsschwellwert von ca. 0,8A. Dieser Kurvenverlauf 22 ist zur Verdeutlichung gegenübergestellt dem der 3 entsprechenden PID-geregelten Kurvenverlauf 24, und es wird deutlich, dass die im relevanten weiteren Zeitraum t = 2sec bis t = 9sec realisierbare Stromdifferenz (entsprechend dem Abstand zwischen den Kurven) zu einer signifikanten Absenkung des elektrischen Energieverbrauchs führt. Da zum Zeitpunkt t = 2sec und bereits erreichter Expansionsposition sowohl die Proportional-(P), als auch die Differenzial-(D)Komponenten keine signifikanten Beiträge zum Regelsignal leisten, wirkt sich der vorgenommene Reset des Integral-Bestandteils in der PID-Funktion fast ausschließlich auf die gezeigte Stromkurve aus.In contrast, the 4th Immediately recognize the advantage of the reset of the integrator component in the PID control function to the expansion threshold value of approx.0.8A at the time t = 2sec: In the exemplary embodiment shown, the time t = 2sec, that is to say one second after the start of the activation signal Assume that the actuator device has reliably reached its predetermined or end position, and how the discontinuity in the lower diagram of the 4th clarified for the current curve influenced by the reset, the activation signal falls at that time to the crystal body 10th associated coil to the expansion threshold of about 0.8A. This curve 22 is compared to that of the 3rd corresponding PID-controlled curve 24th , and it becomes clear that the current difference that can be realized in the relevant further time period t = 2sec to t = 9sec (corresponding to the distance between the curves) leads to a significant reduction in electrical energy consumption. Since both the proportional (P) and the differential (D) components do not make any significant contributions to the control signal at the time t = 2sec and the expansion position has already been reached, the reset of the integral component in the PID function has an almost exclusive effect on the current curve shown.

Die vorliegende Erfindung ist weder auf die im beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigte Konfiguration, noch das gezeigte Push-Push-Prinzip beschränkt. So liegt es im Rahmen der Erfindung etwa auch eine reine Integrator-(I)-Regelung in der erfindungsgemäßen Weise auf einen jeweiligen Expansionsschwellwert zurückzusetzen, ebenso wie die vorliegende Erfindung realisierbar ist, wenn lediglich eine MSM-Expansionseinheit in der erfindungsgemäßen Weise modifiziert geregelt wird und rückstellend mit einem alternativen Rückstellmechanismus, wie etwa einer mechanischen Feder, einer elektromagnetisch oder permanentmagnetisch bewirkten Rückstellung, oder aber einer thermischen Formgedächtnislegierungs-Rückstellvorrichtung, zusammenwirkt.The present invention is neither limited to the configuration shown in the exemplary embodiment described, nor to the push-push principle shown. For example, it is within the scope of the invention to reset a pure integrator (I) control in the manner according to the invention to a respective expansion threshold value, just as the present invention can be implemented if only one MSM expansion unit is regulated in a modified manner in the manner according to the invention and resiliently cooperates with an alternative resetting mechanism, such as a mechanical spring, an electromagnetically or permanently magnetically induced resetting, or else a thermal shape memory alloy resetting device.

Claims

Device for controlling an actuator device having at least one MSM expansion unit and a restoring means generating expansion counterforce, with means for generating and introducing an electromagnetic flux into the expansion unit in response to an electrical activation signal, in particular an activation current, and an electronic control unit connected upstream of the means for generating and introducing the electromagnetic flux, which is used to achieve a predetermined position and / or expansion measure of the actuator device Carries out regulation of the activation signal, the position or expansion measure depending on the activation signal follows a hysteresis curve which has an expansion threshold for the activation signal which is lower than a maximum value of the activation signal and in which the position or expansion measure does not fall below when the maximum value is reached a predetermined maximum deviation from the final dimension of the position or expansion dimension falls, in which the electronic control unit implements a control functionality that brings about an integration of the control deviation between the predetermined and a current position or expansion measure and the control unit is assigned reset means which are designed such that after a predetermined time interval assigned to an expansion has elapsed, the integration is reset to the expansion threshold value.

Device after Claim 1 , characterized in that the activation signal as the activation current is a coil current provided for generating the electromagnetic flux and the expansion threshold value in the range between 15% and 60%, in particular between 25% and 40%, one for reaching the maximum value or a predetermined intermediate value Coil current is.

Device after Claim 1 or 2nd , characterized in that the predetermined maximum deviation is 5%, preferably 3%, more preferably 2%, of the final dimension.

Device according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the predetermined time interval is less than 200%, preferably less than 100%, of the time that the control unit designed without an associated reset means would need to fall below the predetermined maximum deviation.

Device according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the predetermined time interval is less than 3sec, preferably less than 2sec, more preferably less than 1sec.

Device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the resetting means have a further MSM expansion unit counteracting the MSM expansion unit for realizing an antagonistic functionality of the actuator device, which in the hysteresis form has a further, opposite expansion threshold value of the assigned further activation signal for an assigned further and opposite position or final dimension offers.

Device according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the control functionality is a PID control functionality.

Method for controlling an actuator device having at least one MSM expansion unit and a restoring means generating expansion counterforce, in particular method for operating the device according to one of the Claims 1 to 7 , wherein the MSM expansion unit is assigned means for generating and introducing an electromagnetic flux into the expansion unit in response to an electrical activation signal, in particular an activation current, and the means for generating and introducing the electromagnetic flow is preceded by an electronic control unit which is used to achieve a predetermined position - and / or expansion measure of the actuator device carries out a regulation of the activation signal, comprising the steps: determining an expansion threshold value for the activation signal that is lower than a maximum value of the activation signal and at which, after reaching the maximum value, the position or expansion measure does not fall below a predetermined maximum deviation from the final measure of the position or expansion measure, regulating the electrical activation signal to the predetermined position and / or expansion measure of the actuator device by means of a an integration of the control deviation between the predetermined control functionality and a current position or final dimension, and resetting the integration to the expansion threshold after expiration of a predetermined time interval assigned to an expansion.

Use of the device according to one of the Claims 1 to 7 for controlling valve means having the actuator device, in particular for switching or controlling fluids in motor vehicles.

Use of the device according to one of the Claims 1 to 7 for controlling devices of the automation, production and / or machine tool technology having the actuator device.