-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines magnetisch schaltbaren Aktuators. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine magnetisch schaltbaren Aktuator mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.
-
Stand der Technik
-
Magnetisch geschaltete Aktuatoren werden vielfach eingesetzt. Ein magnetisch geschalteter Aktuator umfasst eine an eine Spannungsquelle angeschlossene Spule, einen Magnetanker sowie ein Federelement. Der Magnetanker wird von der durch das Federelement ausgeübten Kraft in einer ersten Position gehalten. Wird die Spule von elektrischem Strom durchflossen, baut sich ein Magnetfeld auf, das eine Kraft auf den Magnetanker ausübt und den Magnetanker von der ersten Position in eine zweite Position bewegt. Wird der durch die Spule fließende Strom abgeschaltet, baut sich das Magnetfeld ab und die durch das Federelement ausgeübte Rückstellkraft bewegt den Magnetanker zurück in die erste Position. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise bei Kraftstoffinjektoren oder bei Hubkolbenpumpen eingesetzt.
-
Bei den genannten Anwendungen begrenzt die Zeitdauer des Magnetfeldabbaus die maximale Frequenz für Schaltvorgänge. Der Grund liegt darin, dass die Energiedissipation nach dem Abschalten der an der Spule anliegenden Spannung verhältnismäßig langsam verläuft. Der Abbau (auch „Löschen“ genannt) der in dem Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie ist durch den Stromfluss in der Spule charakterisiert und wird durch die Stromflusseigenschaften einer für den Abbau des Magnetfelds vorgesehenen Freilaufdiode sowie durch den Eigenwiderstand der Spule bestimmt. Die in dem Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie wird durch den Eigenwiderstand der Spule und den der Freilaufdiode in Wärmeenergie umgesetzt.
-
Neben dieser Form des Energieabbaus ist im Stand der Technik auch eine sogenannte „Schnelllöschung“ bekannt. Dabei sind die an dem Magnetfeldabbau beteiligten Bauelemente für einen höheren Energiedurchfluss (zum Beispiel Zener-Dioden) und größere Erwärmung ausgelegt, wodurch das Magnetfeld schneller abgebaut werden kann. Dies bedeutet, dass auch die Magnetkraft, die den Magnetanker in Position hält, schneller abnimmt und infolge dessen die Federkraft den Magnetanker schneller in seine Ausgangslage zurückbringen kann. Dies ermöglicht einen Betrieb eines solchen Aktuators bei einer deutlich höheren Frequenz. Im Falle eines Magnetinjektors bedeutet dies beispielsweise schnellere und präzisere Einspritzmengen oder im Falle einer Hubkolbenpumpe eine Erhöhung der Fördererrate, ohne dass sonstige konstruktive Eingriffe notwendig wären.
-
Nachteilig beim Einsatz der Schnelllöschung ist beispielsweise eine große Erwärmung der an der Löschung beteiligten Bauelemente. Des Weiteren kann sich unter Umständen eine Störung eines Bordspannungsnetzes in einem Fahrzeug durch möglicherweise auftretende Störfrequenzen ergeben. Durch die schnellere Löschung des Magnetfeldes wird der Magnetanker stärker beschleunigt, wodurch höhere Kräfte und damit ein höherer Verschleiß der beteiligten mechanischen Komponenten auftreten. Zudem kann sich die Lautstärke der akustischen Emission des Systems erhöhen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Steuerung eines magnetisch schaltbaren Aktuators ausgelegt. Ein solcher Aktuator weist eine Spule, einen Magnetanker und ein Federelement auf. Der Magnetanker ist mittels eines durch die Spule erzeugbaren Magnetfelds von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar und mittels einer durch das Federelement aufgebrachten Federkraft von der zweiten Position in die erste Position bewegbar.
-
Während eines Aktivzeitraums wird zum Aufbau und zum Erhalt des Magnetfelds eine Spannung an die Spule für einen Wechsel des Magnetankers von der ersten Position in die zweite Position angelegt und während eines Ruhezeitraums wird das Magnetfeld in der Spule für einen Wechsel des Magnetankers von der zweiten Position in die erste Position abgebaut.
-
Zum Abbau des Magnetfelds werden ein erstes Schaltungselement und ein zweites Schaltungselement eingesetzt, wobei das zweite Schaltungselement einen schnelleren Abbau des Magnetfelds in der Spule als das erste Schaltungselement ermöglicht.
-
Mit Beginn des Ruhezeitraums wird zum Abbau des Magnetfelds das erste Schaltungselement und vor Beginn des Aktivzeitraums zum Abbau des Magnetfelds das zweite Schaltungselement eingesetzt. Die Dissipation der Energie des Magnetfelds geschieht also über zwei Zeitkonstanten. Anfänglich wird das Magnetfeld langsam mit der ersten Zeitkonstante über das erste Schaltungselement abgebaut. Vor dem Beginn des erneuten Aufbaus des Magnetfelds wird das Magnetfeld mit dem zweiten Schaltungselement und der damit verbundenen zweiten Zeitkonstante schneller abgebaut.
-
Mit dem schnelleren Abbau des Magnetfelds wird eine feste Zeitdauer vor dem Beginn des Aktivzeitraums, d.h. dem erneuten Aufbau des Magnetfelds, begonnen. Mit höheren Schaltfrequenzen verkürzt sich der Ruhezeitraum, wohingegen die feste Zeitdauer vor dem Beginn des Aktivzeitraums gleich bleibt. Folglich vergrößert sich der Anteil am Ruhezeitraum, währenddessen das Magnetfeld mit der zweiten Zeitkonstante schnell abgebaut wird. Während dieser Anteil bei niedrigen Frequenzen vergleichsweise gering ist und der Großteil des Abbaus des Magnetfelds über das erste Schaltungselement stattfindet, nimmt dieser Anteil mit der Erhöhung der Taktfrequenz zu, bis er bei der Maximalfrequenz nahezu 100 % des Ruhezeitraums einnimmt. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, die Abbaugeschwindigkeit des Magnetfelds an die Taktfrequenz des Aktuators anzupassen. Während im Stand der Technik oftmals komplexe Modelle verwendet werden, um ein Zuschalten der Schnelllöschung zu steuern, kann ein solcher Aufwand bei der vorliegenden Lösung entfallen.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Schaltungselement eine Freilaufdiode aufweist. Das zweite Schaltungselement ermöglicht vorzugsweise eine Schnelllöschung, insbesondere mittels einer Zener-Diode. Somit kann eine langsame Löschung des Magnetfelds über das erste Schaltungselement und ein schnelles Löschen über das zweite Schaltungselement über einfache konstruktive Maßnahmen erfolgen.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Zeitkonstante mindestens doppelt so groß, bevorzugt fünfmal so groß, besonders bevorzugt zehnmal so groß wie die zweite Zeitkonstante ist. Mit einem signifikanten Unterschied zwischen den Zeitkonstanten kann der Abbau des Magnetfelds besonders gut gesteuert werden.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator ein Aktuator eines Magnetinjektors oder einer Hubkolbenpumpe. Bei diesen speziellen Ausführungsformen des Aktuators spielen höhere Taktfrequenzen eine wichtige Rolle.
-
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät ohne hieran bauliche Änderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das erfindungsgemäße Computerprogramm auf dem erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten. Dieses ist eingerichtet, einen Aktuator mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung, deren Aktuator mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert werden kann,
-
2a–c in drei Strom-Zeit-Diagrammen den zeitlichen Stromverlauf in einer Spule eines Aktuators; und
-
3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 10. Das Steuergerät 10 ist mittels Steuerleitungen 12 mit einem Aktuator 14 verbunden. Der Aktuator 14 ist in einer schematischen Querschnittsansicht gezeigt und umfasst einen Magnetanker 141, eine Spule 142 und ein Federelement 143. Mit Anlegen einer Spannung an die Spule 142 wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches den Magnetanker 141 in den Aktuator hinein in eine Aktivposition zieht. Diese Aktivposition ist in 1 dargestellt. In dieser Stellung ist das Federelement 143 komprimiert. Ist das Magnetfeld der Spule 142 wieder abgebaut, bewegt sich der Magnetanker 141 durch die durch das Federelement 143 aufgebrachte Rückstellkraft in eine Ruheposition, bei der das Federelement 143 entspannt ist. Ein derartiger Aktuator kann beispielsweise bei einem Magnetinjektor für das Einbringen von Kraftstoffen in den Brennraum eines Kraftfahrzeugs oder bei einer Hubkolbenpumpe eingesetzt werden.
-
Für den Abbau des von der Spule 142 erzeugbaren Magnetfelds stehen zwei Schaltungselemente zur Verfügung. Eine erstes Schaltungselement 16 umfasst eine Freilaufdiode 161, ein zweites Schaltungselement 18 umfasst eine Zener-Diode 181. Die Schaltungselemente 16, 18 sind lediglich schematisch dargestellt und können eine Vielzahl von weiteren Bauelementen umfassen. Das erste Schaltungselement 16 mit der Freilaufdiode 161 ist so dimensioniert, dass der Abbau des Magnetfelds der Spule 142 mit einer vorgegebenen Zeitkonstante erfolgt, bei der keine wesentliche Erwärmung der beteiligten Bauelemente erfolgt. Das zweite Schaltungselement 18 ist so ausgelegt, dass eine sogenannte Schnelllöschung des Magnetfelds durchgeführt werden kann. Dazu kann das zweite Schaltungselement 18 alternativ oder zusätzlich zu der Zener-Diode 181 weitere Bauelemente umfassen, wie beispielsweise Widerstände, Leistungstransistoren wie etwa Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren, Thyristoren oder beispielsweise Kondensatoren zur Aufnahme der Magnetfeldenergie.
-
Das Steuergerät 10 ist dazu eingerichtet, in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens den Aufbau und den Abbau des Magnetfelds der Spule 142 mittels der Steuerleitungen 12 zu steuern. Die 2a–c zeigen den Stromverlauf in der Spule 142 des Aktuators 14 bei einer Ansteuerung durch das Steuergerät 10. Die Abszisse der jeweiligen Figur stellt die Zeitachse dar, die Ordinate den Stromfluss in der Spule 142. In allen 2a–c ist die Phase des Aufbaus des Magnetfelds mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Dabei wird an die Spule 142 eine Spannung über die Steuerleitungen 12 durch das Steuergerät 10 aktiv angelegt und es fließt der entsprechende Strom. An die Phase der Spulen-Bestromung schließt sich ebenfalls in allen 2a–c eine Phase an, in der an der Spule 142 keine Spannung über die Steuerleitungen 12 durch das Steuergerät 10 angelegt wird.
-
In 2a wird während der Phase, in der an der Spule 142 keine Spannung anliegt, ausschließlich das erste Schaltungselement 16 eingesetzt. Diese Phase ist in 2a gestrichelt dargestellt. Während dieser Phase des Spulenstrom-Freilaufs über die Freilaufdiode 161 klingt das Magnetfeld langsam durch die Dissipation der in dem Magnetfeld enthaltenen Energie über die Freilaufdiode 161 und den internen Widerstand der Spule 142 ab. Die in der in 2a dargestellte Taktlänge bzw. Ansteuerfrequenz erlaubt einen Abbau des Magnetfelds der Spule 142 noch alleine über die Freilaufdiode des ersten Schaltungselements 16 und stellt somit die maximale Ansteuerfrequenz ohne Schnelllöschung dar.
-
In 2b wird kurz nach der Phase des Spulenstrom-Freilaufs die Schnelllöschung über das zweite Schaltungselement 18 eingesetzt. Für die Phase der Schnelllöschung ist in der 2b der Stromverlauf strichpunktiert dargestellt. Hierbei erfolgt der Einsatz der Schnelllöschung allein unter Bezugnahme auf den zuletzt erfolgten Aufbau des Magnetfelds. Dies stellt die Art und Weise dar, wie die Schnelllöschung herkömmlicherweise eingesetzt wird.
-
Wird aufgrund eines verkürzten Ruhezeitraums eine Schnelllöschung notwendig, wird kurz nach der Spannungsfreiheit der Spule 142 das zweite Schaltungselement 18 zugeschaltet. Damit wird nahezu die gesamte Energie, die in dem Magnetfeld der Spule 142 enthalten ist, über die an der Schnelllöschung beteiligten Bauteile dissipiert. Dies zieht die bereits genannten Nachteile mit sich, wie beispielsweise eine große Erwärmung der zur Löschung verwendeten Bauelemente, gegebenenfalls eine Störung des Bordspannungsnetzes in einem Fahrzeug, falls die Löschung in das Bordnetz erfolgt sowie ein erhöhter Verschleiß durch das beschleunigte Anschlagen des Magnetankers bzw. einer Ventilnadel im Sitz. Des Weiteren kann sich eine Erhöhung der Lautstärke der akustischen Emission ergeben. Ein Einsatz der Schnelllöschfunktion nur unter bestimmten Betriebsbedingungen lindert diesen Nachteil nur bedingt, da in diesem Fall komplexe Modelle für eine Entscheidung über ein Zuschalten der Schnelllöschung notwendig sind. Diese sind rechenintensiv oder störanfällig.
-
In 2c ist der erfindungsgemäße Einsatz der Schnelllöschfunktion dargestellt. Ist eine Verkürzung des Aktuator-Ruhezeitraums notwendig, wird die Schnelllöschung bedarfsgerecht zu einem solchen Zeitpunkt zugeschaltet, dass idealerweise das Ende des Abbaus des Magnetfelds mit dem Beginn des erneuten Aufbaus des Magnetfelds zusammenfällt. Dabei ist der Zeitpunkt der Zuschaltung von dem tatsächlichen oder erwarteten Stromfluss und der verbleibenden Zeitspanne für einen Magnetfeldabbau abhängig. Selbstverständlich spielt die Zeitkonstante, mit der die Schnelllöschung das Magnetfeld abbaut, ebenfalls eine Rolle. Alternativ kann die Schnelllöschung eine feste Zeitspanne vor dem nächsten Beginn des erneuten Aufbaus des Magnetfelds eingesetzt werden. In diesem Fall müsste die Länge der festen Zeitspanne in Abhängigkeit von dem maximal zu erwartenden Stromfluss und der Zeitkonstante der Schnelllöschung gewählt werden.
-
Der Steuersoftware des Steuergeräts 10 ist es gewöhnlich bekannt, wann ein neuer Takt des Aktuators beispielsweise für einen neuen Pumpenhub, einen neuen Einspritzvorgang, oder ähnlichem beginnt. Dementsprechend aktiviert die Steuersoftware des Steuergeräts 10 die Schnelllöschung immer zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vor der nächsten Ansteuerung, das heißt der Bestromung der Spule 142. Die dafür notwendige Zeitspanne wird als Konstante gewählt. Die Länge dieser Zeitspanne muss gewährleisten, dass die gesamte Bewegungsphase des Magnetankers 141 nach Ausschalten der Spannung an der Spule 142 auch unter ungünstigen Bedingungen während dieser Zeitspanne stattfinden kann.
-
Dies hat den Vorteil, dass bei einer maximalen Ansteuerfrequenz des Aktuators 14 die Schnelllöschung unmittelbar nach dem Abschalten der Spannung an der Spule 142 einsetzt und den Aktuator 141 so schnell wie möglich in seine Ausgangsposition, d.h. die Ruheposition, zurückbringt.
-
Ist der Ruhezeitraum des Aktuators hingegen deutlich größer als bei der maximalen Ansteuerfrequenz, setzt die Schnelllöschung erst kurz vor dem Aufbau des Magnetfelds der Spule 142 ein. Zu diesem Zeitpunkt ist die Energie der Spule 142 aber schon über das erste Schaltungselement 16 weitgehend dissipiert und der Magnetanker 143 des Aktuators 14 hat bereits seine Ruheposition erreicht. Die Nachteile einer Schnelllöschung wie eine Erwärmung der beteiligten Bauteile, einer Störung des Bordnetzes, einem erhöhten Verschleiß oder verstärkte Lärmemission kommen nicht zum Tragen.
-
Befindet sich die Dauer des Ruhezeitraums hingegen zwischen dem Maximal-Ruhezeitraum und einem Ruhezeitraum, bei der die Schnelllöschung gerade nicht einsetzt, wird der Abbau des Magnetfelds der Spule 142 so lange wie möglich über das erste Schaltungselement 16 betrieben. Die Schnelllöschung über das zweite Schaltungselement 18 wird so spät wie möglich zugeschaltet. Die genannten Nachteile einer Schnelllöschung werden so auf ein notwendiges Minimum reduziert. Gleichzeitig kann auf komplexe Modelle zur Vorhersage eines Betriebszustands verzichtet werden, an dem die Einschaltung der Schnelllöschung zum Erhalt eines effizienten Betriebs des Aktuators notwendig erscheint. Mit dem Entfall der komplexen Modelle reduziert sich außerdem bei Brennkraftfahrzeugen der Applikationsaufwand für die Software. Dies bringt Einsparungen bei der Absicherung und verringert die Fehleranfälligkeit.
-
3 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm dar. Dieses Verfahren kann zur Ansteuerung des magnetisch schaltbaren Aktuators 14 gemäß 1 eingesetzt werden.
-
In einem ersten Schritt S1 wird während eines Aktivzeitraums an die Spule 142 eine Spannung zum Aufbau eines Magnetfelds angelegt.
-
Während eines sich an den Aktivzeitraum anschließenden Ruhezeitraums wird ein erstes Schaltungselement 16 zum Abbau des Magnetfelds der Spule 142 eingesetzt S2.
-
Nach dem Einsetzen der ersten Schaltungselements 16 wird ein zweites Schaltungselement 18 zum Abbau des Magnetfelds der Spule 142 eingesetzt S4. Das zweite Schaltungselement 18 ermöglicht einen schnelleren Abbau des Magnetfelds in der Spule 142 als das erste Schaltungselement 16.
