DE102014220929B4

DE102014220929B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven Aktors

Info

Publication number: DE102014220929B4
Application number: DE102014220929.3A
Authority: DE
Inventors: Anton Mayer-Dick
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: DE102014220929A1; CN105528006B; US9870852B2; US20160111237A1; CN105528006A

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven, ein Betätigungselement und eine Aktorspule aufweisenden Aktors, bei dem die Aktorspule zunächst mit einer Spannung mit einem ersten Wert, die ein Bewegen des Betätigungselements gegen eine Federkraft bewirkt, und bei Beginn der Bewegung des Betätigungselements mit einer Spannung mit einem größeren, zweiten Wert beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungswert in Abhängigkeit davon gewählt wird, wie schnell das Betätigungselement bewegt werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven, ein Betätigungselement und eine Magnetspule aufweisenden Aktors, bei dem zum Bewegen des Betätigungselements gegen eine Federkraft die Magnetspule zunächst mit einer Spannung mit einem ersten Wert und bei Beginn der Bewegung des Betätigungselements mit einer Spannung mit einem größeren, zweiten Wert beaufschlagt wird.
In einem Kraftfahrzeug Anwendung findende induktive Aktoren wie beispielsweise Kraftstoffinjektoren, Ventile oder Pumpen werden mit Hilfe der in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Batteriespannung oder einer davon abgeleiteten Spannung, die höher oder niederer als die Batteriespannung sein kann, bestromt, wodurch aufgrund der Leitungswiderstände, des Wicklungswiderstands der Magnetspule des Aktors und deren Induktivität ein exponentieller Anstieg des Stromes erfolgt. Hierdurch baut sich ein Magnetfeld auf, durch das auf das Betätigungselement des Aktors, beispielsweise einen Anker, eine Kraft ausgeübt wird, die in Gegenrichtung zur Federkraft, beispielsweise einer Schließfeder, wirkt. Wenn die beiden Kräfte im Gleichgewicht sind, beginnt sich das Betätigungselement von einer ersten in Richtung einer zweiten Ruheposition zu bewegen und wird durch den weiter ansteigenden Strom und das dadurch stärker werdende Magnetfeld beschleunigt, bis die zweite Position erreicht ist. Wenn sich das Betätigungselement zu bewegen beginnt, wird die Spannung meistens erhöht, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements zu erhöhen.
Nachfolgend wird die an der Magnetspule anliegende Spannung wieder reduziert und zumeist durch periodisches Ein- und Ausschalten ein um zwei Regelpunkte variierender Stromfluss durch die Magnetspule erzeugt, so dass das dadurch erzeugte Magnetfeld das Betätigungselement in der zweiten Position hält. Für dieses Halten in der zweiten Position ist nur ein geringerer Strom erforderlich, als es für das Bewegen der Fall ist, da im letzteren Fall nicht nur Arbeit gegen die Federkraft verrichtet sondern auch das Betätigungselement gegen dessen Trägheit beschleunigt werden muss.
Die Erhöhung der Spannung zur Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements erfolgt häufig durch einfaches Umschalten von einer ersten auf eine zweite Spannung, wodurch deren Verhältnis konstant beispielsweise bei einem Wert von 2 ist. Dies bedeutet jedoch, dass unter Umständen mehr Energie verbraucht wird, als für eine gewünschte Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit erforderlich wäre.
Ein weiteres Problem sind Toleranzen der Widerstände der Leitungen - insbesondere des Kabelbaums im Fahrzeug, in dem der Aktor eingebaut ist - und der Magnetspule, deren Induktivität außerdem von Aktor zu Aktor variieren kann; insbesondere kann sich auch durch Alterungserscheinungen insbesondere durch Veränderung des Kabelbaums im Fahrzeug im Betrieb ein anderer Stromwert ergeben, bei dem sich das Betätigungselement zu bewegen beginnt.
Die DE 10 2013 212 949 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven, ein Betätigungselement und eine Aktorspule aufweisenden Aktors, bei dem zum Bewegen des Betätigungselements gegen eine Federkraft die Aktorspule mit einer Spannung beaufschlagt wird, wobei der daraufhin fließende Strom abhängig von Triggerereignissen auf vorgegebene Werte begrenzt wird. Dabei können zwar verschiedene Stromprofile ausgewählt werden, wie die dortigen 8B, 9B, 10B und 11B zeigen, die Abfolge der einzelnen Stromhöhen soll jedoch in allgemeiner Weise von nicht näher bezeichneten Triggerereignissen abhängen. Ein solches Triggerereignis kann beispielsweise ein „verlorenes“ Stromrückmeldungsereignis sein. Ansonsten sind gemäß der 8, 9 10 und 11 die Abfolgen der einzelnen Stromprofile in Phasenspeichern fest abgespeichert.
Die 8 - 11 der DE 10 2013 212 949 A1 zeigen immer gleiche Stromanstiege, was bedeutet, dass immer die gleiche hohe Spannung verwendet wird, jedoch der Stromfluss entsprechend dem gewünschten Stromprofil früher oder später auf einen vorgegebenen Pegel begrenzt wird.
Die US 2013/0327969 A1 beschreibt in allgemeiner Weise den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei induktiven Impedanzen, sowie dass durch einen Computer gesteuert unterschiedliche Strom- und Spannungsprofile eingestellt werden können, ohne jedoch konkret auf einen bestimmten Fall einzugehen.
In der DE 100 19 745 A1 ist das Anlegen von Spannungen an einen Halte- und einen Fangmagneten eines Gaswechselventilaktors, wobei die Spannungen von Bewegungsabläufen abhängig sein können, beschrieben. Dort wird ein Anker zwischen einem Haltemagneten und einem Fangmagneten hin- und herbewegt, wobei er durch eine Feder entweder vom Haltemagneten zum Fangmagneten gedrückt wird oder bei umgekehrt vorgespannter Feder vom Fangmagneten zum Haltemagneten zurückgezogen wird. Es wird dabei beschrieben, dass in einer Zwischenstellung zwischen dem Halte- und dem Fangmagneten der Anker in einer Ruheposition ist, so dass in dieser Position die Feder entspannt ist.
Dies bedeutet, dass ausgehend von der Darstellung in der 1 der DE 100 19 745 A1 , in der der Anker durch den Haltemagneten gegen die Federkraft gehalten wird, nach dem Abschalten der Bestromung des Haltemagneten der Anker durch die Feder zum Fangmagneten hin beschleunigt wird. Zusätzlich zu der Federkraft kann der Haltemagnet umgekehrt zu seiner Haltefunktion polarisiert werden, um den Anker zusätzlich zu beschleunigen, wobei dies abhängig von einem Bewegungszustand des Ankers erfolgen kann.
Der Anker wird also anfänglich durch eine Federkraft in Bewegung gesetzt. Eine ggf. zusätzlich erzeugte magnetische Kraft durch die nach Bewegungsbeginn angelegte Spannung an den Magnetaktor wirkt dabei in die gleiche beschleunigende Richtung.
Der gleiche Sachverhalt ergibt sich auch, wenn der Fangmagnet ggf. mit einer Spannung beaufschlagt wird, um nun den Aufprall des Ankers an den Fangmagneten zu dämpfen.
DE 10 2005 042 110 A1 offenbart ein Verfahren zur Verkürzung der Verzugszeiten beim Schließen eines elektromagnetischen Aktors. Das offenbarte elektromagnetische Schaltventil weist einen Ventilsitz, eine zentrale Ventilöffnung, eine Ventilnadel, die an einem Magnetanker angebracht ist, eine Magnetspule und eine Rückstellfeder auf. Das Schaltventil wird von einer Steuerung in Abhängigkeit von Motorparametern und vorgegebenen Steuerprofilen gesteuert. Es wird ein typischer Spannungsverlauf eines Schaltzyklus offenbart. Während des Öffnens wird ein Spannungspuls an die Magnetspule angelegt, dessen Amplitude aufgrund der sich beim Öffnen verringernden Induktivität der Magnetspule langsam abfällt. Durch einen Gegenpuls wird Energie aus der Magnetspule zurückgewonnen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem möglichst effizient mit der zur Betätigung des Aktors erforderlichen Energie umgegangen wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.
Gemäß Anspruch 1 soll bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven, ein Betätigungselement und eine Magnetspule aufweisenden Aktors, bei dem zum Bewegen des Betätigungselements gegen eine Federkraft die Magnetspule zunächst mit einer Spannung mit einem ersten Wert und bei Beginn der Bewegung des Betätigungselements mit einer Spannung mit einem größeren, zweiten Wert beaufschlagt wird, der zweite Spannungswert in Abhängigkeit davon gewählt werden, wie schnell das Betätigungselement bewegt werden soll.
Es wird also nicht immer derselbe Erhöhungsfaktor für die an die Magnetspule des Aktors anzulegende Spannung gewählt, sondern dieser für jede gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit an diese angepasst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Spannungswert in Abhängigkeit von dem Wert des Stromes, bei dem sich das Betätigungselement zu bewegen beginnt, gewählt.
Wenn also beispielsweise der Kabelbaum einen größeren Widerstand hat als zunächst angenommen wurde oder sich die Induktivität der Magnetspule ändert und daher die Bewegung des Betätigungselements bei einem anderen Stromwert beginnt als angenommen und für die Bewegungsgeschwindigkeit und das Bewegungsende wichtig ist, wird diese Abweichung durch eine Anpassung des zweiten Spannungswertes korrigiert.
Auf diese Weise wird beispielsweise erreicht, dass die zweite Ruheposition trotz der Toleranzen und/oder Alterungsänderungen von Aktoren zu einem gewünschten Zeitpunkt erreicht wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Ansteuerung eines induktiven Aktors mit einer Versorgungsspannung.

In 1 ist ein induktiver, ein Betätigungselement und eine Magnetspule aufweisender Aktor A gezeigt, der an einem Versorgungsanschluss 1 mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden kann. Hierzu ist dieser Versorgungsanschluss 1 mit einem Versorgungsausgang 2 einer Schaltungsanordnung IC, die insbesondere als integrierter Schaltkreis ausgeführt sein kann, verbunden. Die Schaltungsanordnung IC dient einerseits dazu weitere Signale, insbesondere Steuersignale (nicht dargestellt), für den Aktor A zu erzeugen und/oder zu verarbeiten, sie soll aber auch eine Versorgungspannung, die von einer Spannungsversorgungseinheit SV stammt, mit der die Schaltungsanordnung IC verbunden ist, ggf. verarbeiten und an den Aktor A durchschalten.
Ein Steuereingang 3 der Schaltungsanordnung IC ist mit einem Steuerausgang 4 eines Mikroprozessors µC verbunden und erhält Signale, die von einem Programm generiert werden zur Ansteuerung des Aktors A zu definierten Zeiten. Hierfür muss das Programm Informationen über den inneren Zustand der Schaltungsanordnung IC und/oder des Aktors A erhalten, welche an einem Steuereingang 6 des Mikroprozessors µP, der mit einem Steuerausgang 5 der Schaltungsanordnung IC verbunden ist, von der Schaltungsanordnung IC dem zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere wird über diesen Übertragungsweg dem Mikroprozessors µP die Information über den Bewegungsbeginn des Betätigungselements des Aktors A und der dabei fließende Strom übermittelt, woraus das Programm des Mikroprozessors µP die erforderliche Versorgungsspannung für den Aktor A ermitteln kann, die einerseits eine ausreichend schnelle Bewegung des Betätigungselements ermöglicht, um zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eine Position zu erreichen und andererseits hierfür möglichst nur die dafür nötige Energie aufwendet und keine Spannung angelegt wird, die für den Extremfall ausgelegt ist.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines induktiven, ein Betätigungselement und eine Aktorspule aufweisenden Aktors, bei dem die Aktorspule zunächst mit einer Spannung mit einem ersten Wert, die ein Bewegen des Betätigungselements gegen eine Federkraft bewirkt, und bei Beginn der Bewegung des Betätigungselements mit einer Spannung mit einem größeren, zweiten Wert beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungswert in Abhängigkeit davon gewählt wird, wie schnell das Betätigungselement bewegt werden soll.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungswert in Abhängigkeit von dem Wert des Stromes, bei dem sich das Betätigungselement zu bewegen beginnt, gewählt wird.