DE102016001753A1

DE102016001753A1 - Verfahren zur Diagnose eines elektromagnetischen Ventils

Info

Publication number: DE102016001753A1
Application number: DE102016001753.8A
Authority: DE
Inventors: Dominic Groß
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines elektromagnetischen Ventils mit einem Anker (2) und einer Spule (3), wobei der Anker (2) in einem magnetischen Feld der Spule (3) bewegt wird, wobei eine Geschwindigkeit und/oder eine Position des Ankers (2) aus der Ansteuerspannung und einer elektrischen Messgröße, insbesondere dem Strom ermittelt wird. Die Diagnose des elektromagnetischen Ventils ist dadurch verbessert, dass eine Grenzstromstärke, bei der sich der Anker (2) beginnt zu bewegen, als Maß für die Haftreibung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Elektromagnetische Ventile, insbesondere Druckregelventile werden zur Ansteuerung von Kupplungen zum Beispiel in Direktschaltgetrieben oder in Trennkupplungen von Kraftfahrzeugen verwendet. Diese Druckregelventile werden durch einen elektromagnetischen Anker angesteuert. Der Anker kann auch als Tauchanker bezeichnet werden. Der Anker ist dabei in einem magnetischen Feld einer Spule bewegbar beziehungsweise wird in diesem Feld bewegt. Durch den Anker wird eine Kraft auf einen Steller insbesondere in Form eines Schiebers ausgeübt. Das Ventil verfügt typischerweise über drei hydraulische Anschlüsse, nämlich einen Arbeitsanschluss, der zum Beispiel mit der Kupplung verbunden ist, einen Versorgungsanschluss, der zum Beispiel mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist, und einen Abfluss zum Tank. Am Arbeitsanschluss liegt ein Arbeitsdruck an. Wenn die Kraft durch den Anker größer als der Arbeitsdruck ist, öffnet der Schieber eine Verbindung zum Hochdruckspeicher und der Druck steigt. Ist die Kraft geringer, öffnet der Schieber eine Verbindung zum Tank und der Druck fällt. Der an der Spule angelegte Strom steht insbesondere in direktem Zusammenhang mit dem Druck, der sich am Arbeitsanschluss des Ventils einstellt. Bei dem Ventil handelt es sich also um einen mechanischen Regler, dessen Sollwert durch einen Strom auf die Spule einstellbar ist beziehungsweise eingestellt wird. Dieser Strom wird typischerweise durch Anlegen einer pulsweitenmodulierten Spannung an der Spule eingestellt. Insbesondere kommen häufig Stromregler zum Einsatz, die den Iststrom durch die Spule messen und mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung den gewünschten Strom einstellen. Allerdings kann die Mechanik des Ventils aufgrund der Haftreibung klemmen. Wenn dieser Effekt nicht kompensiert wird, stellt sich ein falscher Druck ein und der Druckaufbau und Druckabbau werden verlangsamt. Ferner kann es zu Situationen kommen, in denen der Schieber zunächst klemmt und wieder losbricht, wobei diese beiden Zustände abwechseln. Es tritt ein Ruckgleiten auf. Dies wird als Stick-Slip-Effekt oder Haftgleiteffekt bezeichnet. Diese Situation ist mit einfachen Reglerstrukturen schlecht zu beherrschen und kann u. a. in einer zyklischen Schwingung resultieren, wobei ein gewünschter Zielwert der Regelung nicht erreicht wird.
Es ist bekannt, dem Problem der Haftreibung dadurch entgegenzuwirken, dass der Strom zur Ansteuerung des Ventils mit einem periodischen typischerweise mittelwertfreien Signal höherer Frequenz überlagert wird. Diese Überlagerung wird auch als Dithering bezeichnet, wobei eine Mikrobewegung am Anker erzeugt wird. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, den Schieber des Ventils permanent in Bewegung zu halten, so dass sich der Schieber nie in Haftreibung, sondern immer im Zustand der Gleitreibung befindet. Es kann ein Klemmen des Ventils durch Haftreibung vermieden werden. Die Parameter der Frequenz und der Amplitude des Überlagerungssignals hängen stark vom Reibverhalten des Ventils und damit von Einflüssen wie Temperatur, Alterung, Verweildauer in der Endposition und dergleichen ab. Das Überlagerungssignal vermindert die effektiv nutzbare Stellgröße. Die Ansteuerung des Ventils ist bis zu einem maximalen Strom möglich. Wird dieser mit einem hochfrequenten periodischen Überlagerungssignal überlagert, so verringert sich der mögliche Stellbereich entsprechend um die Amplitude des Überlagerungssignals. Die Amplitude sollte daher so groß wie nötig und so klein wie möglich gewählt werden. In Situationen, in denen das Ventil auch ohne Überlagerung mit einer Mikrobewegung seinen Zielwert erreicht, kann die Mikrobewegung die Regelgüte verschlechtern. Während des Druckaufbaus könnte das Überlagerungssignal zu Schwingungen im Arbeitsdruck führen. Diese Schwingungen sind nicht erwünscht.
Aus der DE 10 2009 002 852 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines mechanischen Systems in Form eines Proportionalventils bekannt. Ein Ventilschieber ist unter Reibung bewegbar. Der Bewegung des Ventilschiebers wird nun eine Mikrobewegung – ein sogenannter Dither – aufgeprägt, welche zu der nicht-oszillierenden Grundbewegung des Ventilschiebers addiert wird. Die Mikrobewegung innerhalb einer Periode der Oszillation ist in der einen Richtung schneller und dauert kürzer als in der entgegengesetzten Richtung. Die asymmetrische Mikrobewegung resultiert aus einem Überlagerungssignal, bei dem innerhalb einer Schwingungsperiode der positive und negative Puls des Überlagerungssignals unterschiedlich lang sind.
Die DE 103 15 152 A1 beschreibt ein Verfahren zu Ansteuerung von Elektromagnetventilen. Bei dem Verfahren wird die Frequenz einer Pulsweitenmodulation der Ansteuerspannung in Abhängigkeit der Einschaltzeit verändert. Bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung wird ein Sollstrom eingestellt, indem ein Verhältnis zwischen einem Einschaltanteil und einem Ausschaltanteil der Versorgungsspannung innerhalb einer Periodendauer variiert wird. Durch diese Ansteuerung führt ein Anker und der Schieber des Elektromagnetventils Mikrobewegungen aus, wodurch bei einer Positionsänderung lediglich Gleitreibung und keine erheblich höhere Haftreibung überwunden werden muss.
Aus der gattungsbildenden DE 102 35 432 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung einer Diagnose eines Betriebszustandes eines elektromagnetischen Antriebssystems wie beispielsweise eines Proportionaldruckregelventils bekannt. Das elektromagnetische Antriebssystem weist eine Spule und einen mittels eines magnetischen Feldes der Spule bewegbaren Anker auf. Ein Istwert eines Spulenstroms, ein theoretischer beziehungsweise simulierter Wert eines Spulenstroms und eine Spulenstromdifferenz zwischen dem Istwert und dem theoretischen Wert des Spulenstroms werden ermittelt. Ein theoretischer Widerstandswert der Spule, der zur Ermittlung des theoretischen Wertes des Spulenstromes verwendet wird, wird in Abhängigkeit der Spulenstromdifferenz derart adaptiert, dass die Differenz minimiert wird. Die Spulenstromdifferenz nimmt dabei auch Werte abweichend von Null an. Aus der Kenntnis der zugeführten elektrischen Leistung und der Spuleninnentemperatur wird eine Öltemperatur ermittelt. Zur Adaption der Regelung wird ein Verfahren beschrieben, was auf einen geschätzten temperaturabhängigen ohmschen Widerstand der Spule basiert. In einer Rechnereinheit wird über eine Systemgleichung des elektrischen Teilsystems eine Spannung berechnet. Die Spannung setzt sich aus der am Widerstand der Spule abfallenden Spannung, die sich aus dem Produkt des Widerstandes und der theoretischen Stromstärke ergibt, der induzierten Spannung, die sich aus zeitlicher Änderung des magnetischen Flusses ergibt und der geschwindigkeitsabhängigen Störgröße, die von der Ankergeschwindigkeit abhängt, zusammen. Bei der Berechnung des theoretischen Spulenstroms werden im Gegensatz zum realen System Bewegungen des Ankers im Inneren der Spule, die Störungen im Verlauf des Istwertes des Spulenstroms durch eine von der Ankerbewegung erzeugte Gegeninduktion bewirken, im Wesentlichen nicht berücksichtigt. Die Induktivität wird als konstant angenommen. Die Stromdifferenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Strom wird als Residuum bezeichnet und für die Diagnose genutzt. Bei einer ermittelten Spulenstromdifferenz, die größer als eine obere Detektionsschwelle oder kleiner als eine untere Detektionsschwelle ist, wird eine Fehlererkennung ausgelöst. Ein Ankerklemmen soll auf einfache Art und Weise dadurch detektierbar sein, dass weder im Anstiegsbereich noch im weiteren Verlauf des Stromverlaufs des Istwertes des Stroms eine Abweichung von dem Verlauf des theoretisch ermittelten Wertes des Spulenstroms erkennbar ist, die als Ereignis ein Überschreiten einer der Schwellen zur Folge hat. Das Ausbleiben eines derartigen Ereignisses soll anzeigen, dass eine Bewegung des Ankers ausgeblieben ist, was auf ein Ankerklemmen schließen lassen soll.
Dieses gattungsbildende Verfahren ist noch nicht optimal ausgestaltet. Das verwendete Residuum, das heißt die Differenz zwischen dem gemessenen Strom und dem simulierten, theoretischen Spulenstrom ist nicht zur Detektion eines Ankerklemmens geeignet. Ein vollständiges Verklemmen des Ventils in der geschlossenen Position, obwohl ein Druckaufbau gewünscht ist, das heißt bei voller Ansteuerung des Ventils, äußert sich dadurch, dass der theoretische und der gemessene Strom identisch sind und somit das Residuum gleich null ist. Dies würde die Schwellen nicht verletzen. Auch kann nicht immer auf eine Fehlfunktion geschlossen werden, wenn die Schwellen verletzt werden. Ein Öffnen oder Losreißen des Ventils resultiert in einem negativen Residuum, egal ob sich das Ventil wie gewünscht sofort öffnet oder durch zu hohe Reibung verspätet öffnet. Ein positives Residuum ist dagegen nur beim Schließen des Ventils zu erklären, das heißt bei erfolgtem Druckaufbau oder durch eine unzureichende Modulierung des Stromreglers. Wenn die Spulenstromdifferenz bzw. das Residuum die Detektionsschwellen verletzen, kann daher nicht gefolgert werden, dass das Ventil klemmt. Das vorgeschlagene Verfahren ist daher nur mit Einschränkungen zur Diagnose von klemmenden Ventilen geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsbildende Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, so dass die Diagnose eines elektromagnetischen Ventils verbessert ist.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine Grenzstromstärke, bei der sich der Anker beginnt zu bewegen, wird als Maß für die Haftreibung ermittelt. Eine Geschwindigkeit und/oder eine Position des Ankers werden dazu aus der Ansteuerspannung und einer elektrischen Messgröße ermittelt. Als elektrische Messgröße kann insbesondere der Strom dienen. Die ermittelte Geschwindigkeit des Ankers und/oder die Position des Ankers werden nun genutzt, um eine Grenzstromstärke als Maß für die Haftreibung zu ermitteln, wobei der Schieber sich bei Anliegen der Grenzstromstärke zu bewegen beginnt. Aus der Grenzstromstärke kann abgeschätzt werden, ab welcher Kraft sich der Schieber anfängt zu bewegen. Diese Kraft entspricht der Haftreibung im Ventil.
Der so ermittelte Wert für die Haftreibung kann dann überprüft werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob der ermittelte Wert für die Haftreibung eine Obergrenze überschreitet. Insbesondere bei Überschreiten der Obergrenze kann der ermittelte Wert für die Haftreibung zur Adaption des Reglers genutzt werden.
Aus der Ansteuerspannung und der elektrischen Messgröße, insbesondere dem durch die Spule fließenden Strom, kann die Geschwindigkeit und/oder die Position des Schiebers im Rahmen einer Abschätzung ermittelt werden. Mit den so gewonnenen Informationen kann die Steuerung und/oder Regelung des Ventils während der Laufzeit adaptiert werden.
Für die Ermittlung der Position und/oder der Geschwindigkeit des Ankers und des Schiebers kommen unterschiedliche Verfahren in Frage. Es ist möglich, die Grenzstromstärke aus der Position oder aus der Geschwindigkeit des Ankers zu gewinnen.
Die Position kann wie folgt bestimmt werden. Die Spannung zur Ansteuerung der Spule im Ventil kann mit einem hochfrequenten Signal zur Bestimmung der Position des Ankers überlagert werden. Die Position des Ankers wird ermittelt, indem die Ansteuerspannung in dem Anregungssignal überlagert wird, wobei die Frequenz des Anregungssignals so hoch gewählt ist, dass keine Bewegungen des Ankers aufgrund der Anregungsfrequenz resultieren, wobei ein Schätzwert für die aktuelle Induktivität bestimmt wird, wobei aus der bestimmten Induktivität und einer in dem Zusammenhang zwischen der Induktivität und der Position des Ankers beschreibenden Kennlinie die Position des Ankers ermittelt wird. Die Frequenz ist so hoch zu wählen, dass sich hieraus keine mechanischen Bewegungen des Ankers ergeben. Die Frequenz ist um mindestens eine, vorzugsweise mehrere Größenordnungen größer als eine Ditherfrequenz. Aus dem resultierenden Stromverlauf an der Spule lässt sich deren Induktivität bestimmen. Die Induktivität ist abhängig von der Position des Ankers. Über eine Kennlinie ist es damit möglich, die Position des Ankers anhand der Induktivität zu ermitteln. Diese Messung der Position wird periodisch wiederholt. Wenn erkannt wird, dass die Position des Ankers sich zu ändern beginnt, wird die zu diesem Zeitpunkt durch die Spule fließende Stromstärke als Grenzstromstärke gespeichert.
Die Geschwindigkeit des Ankers bzw. des Schiebers wird vorzugsweise anhand der Gegeninduktion in der Spule ermittelt. Es lassen sich folgende Zustände unterscheiden. Bei einem klemmenden Schieber ist die Geschwindigkeit gleich 0 und es tritt keine Gegeninduktion auf. Wenn der Steller losbricht, ist die Geschwindigkeit größer als 0 und es erfolgt ein deutlicher Einbruch des gemessenen Stroms aufgrund der Gegeninduktion. Hierdurch kann man einen Zusammenhang zwischen der Ansteuerung, dem gemessenem Strom und der Geschwindigkeit herstellen.
Die Geschwindigkeit wird über ein Modell in Echtzeit bestimmt. Der theoretische Strom i(t) wird mittels der Differentialgleichung d/dt i(t) = (–R·i(t) + u(t) – d(t))·1/L ermittelt, wobei Werte für den ohmschen Widerstand R und die Induktivität R sowie die Funktion d(t) so gewählt werden, dass die Stromdifferenz aus dem gemessenen Strom und einem theoretischen Strom i(t) gleich 0 ist, wobei die Funktion d(t) proportional zur Geschwindigkeit v(t) ist und mittels der Funktion d(t) ermittelt wird, ob die Geschwindigkeit v(t) gleich null ist oder größer als null ist. Aus dem ermittelten Widerstand R und einer die Temperaturabhängigkeit des Widerstands beschreibenden Kennlinie kann ferner eine Temperatur T der Spule ermittelt werden.
Die Schätzung mittels Optimierung liefert die besten Schätzergebnisse, insbesondere bei schneller Änderung der Gegeninduktion aufgrund einer schnellen Geschwindigkeitsermittlung des Ankers. Die Geschwindigkeit wird im Modell immer so angepasst, dass das Residuum gleich 0 ist. Die Ventilgeschwindigkeit wird derart angepasst, so dass die Spulenstromdifferenz zwischen dem Istwert und einem theoretischen Wert des Spulenstroms immer gleich 0 ist, wobei anhand der Ventilgeschwindigkeit die Grenzstromstärke ermittelt wird, wobei bei dieser Grenzstromstärke der Schieber beginnt sich zu bewegen. Es wird somit ein Signal berechnet, das das Residuum permanent bei 0 hält. Die aus diesem Ansatz abgeleiteten Größen und nicht das Residuum selbst werden zur Diagnose verwendet. Es wird eine während der Laufzeit ermittelte Abschätzung der Haftreibung für die Anpassung der Regelung verwendet. Auf Basis der geschätzten Reibparameter wird zur Laufzeit die Parametrisierung für Überlagerungssignale an die aktuellen Eigenschaften des Ventils angepasst. Wenn durch die Diagnose eine hohe Haftreibung erkannt wird, kann eine kurzfristige gezielte Ansteuerung verwendet werden, um Verschmutzungen im Ventil zum Beispiel durch Spaltfiltration zu beseitigen.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann man die gewonnenen Informationen bezüglich der herrschenden Haftreibung für eine adaptive Regelung beziehungsweise Steuerung einsetzen. Die Haftreibung kann durch Verwendung der Grenzstromstärke bei einer Regelung kompensiert werden.
Ferner könnte eine Stromregelung mit Dither erfolgen, wobei die Frequenz und Amplitude des Dithers adaptiert werden. Dabei wird ein Überlagerungssignal zur Erzeugung von Mikrobewegung erzeugt, wobei eine Amplitude, eine Frequenz und/oder eine Asymmetrie des Überlagerungssignals der Größe der Haftreibung angepasst wird, wobei eine Stromamplitude des Überlagerungssignals größer als die Grenzstromstärke ist. Wenn das Ventil häufig klemmt, kann eine aggressivere Parametrisierung gewählt werden. Dadurch, dass die Reibparameter ermittelt bzw. geschätzt werden kann zur Laufzeit die Parametrisierung der Überlagerungssignale angepasst werden. Nachteil einer zu groß oder zu klein gewählten Amplitude oder Frequenz des Überlagerungssignals werden somit vermieden. Da eine solche Parametrisierung sich negativ auf die Lebensdauer auswirken kann, kommt dies nur zum Einsatz, wenn das Ventil häufig klemmt.
Mittels der ermittelten Grenzstromstärke und bezüglich der damit enthaltenen Informationen zur Haftreibung kann eine Vorsteuerung ermittelt und adaptiert werden, die die Effekte der Haftreibung teilweise kompensiert. Somit ist eine Regelung ohne Dither möglich, sofern die Güte der ermittelten Haftreibung ausreichend ist. Dadurch, dass die Reibparameter ermittelt bzw. geschätzt werden kann zur Laufzeit die Parametrisierung der Überlagerungssignale angepasst werden. Nachteil einer zu groß oder zu klein gewählten Amplitude oder Frequenz des Überlagerungssignals werden somit vermieden.
Wenn die Grenzstromstärke eine Schwelle überschreitet, wird das Ventil mit einem Steuersignal angesteuert, wobei mittels des Steuersignals der Anker bewegt wird, um Verschmutzungen im Ventil und somit die Haftreibung und damit die Grenzstromstärke zu verringern.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Schätzung der Gegeninduktion mittels nummerischer Optimierung mit der direkten Störgrößenaufschaltung und einer Diagnose kombiniert. Alternativ wird eine beobachterbasierte Schätzung der Gegeninduktion mit einem Regelungsverfahren kombiniert oder gar nicht in die Regelung eingegriffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels eines Steuergerätes mit einem Speicher ausgeführt, wobei der Speicher eine Software zur Ausführung des Verfahrens aufweist.
Die eingangs genannten Nachteile sind daher vermieden und entsprechende Vorteile sind erzielt.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung ein Ventil,
2 in einer schematischen Darstellung ein Diagramm mit dem Verlauf einer Reibkraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit,
3 in einer stark schematischen Darstellung eine Steuerung des Ventils,
4 in einem Diagramm eine Kennlinie mit mehreren Datenpunkten, wobei eine Grenzstromstärke zur Überwindung der Haftreibung über der Temperatur aufgetragen ist,
5 in einem Diagramm die Induktivität aufgetragen über der Position des Ankers,
6 in einer schematischen Darstellung eine Steuerung zur Bestimmung der Gegeninduktion K_ev(t),
7 in einer schematischen Darstellung zwei Rückführungen,
8 in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Ermittlung der Gegeninduktivität des ohmschen Widerstands sowie der Induktivität,
9 in zwei Diagrammen ein mittels Optimierung rekonstruierter zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit d(t) = K_ev(t) mit zwei Schwellwerten sowie einen gemessenen Strom i(t) und berechnete Stromwerte;
10 ein Blockschaltbild eines Regelkreises, und
11 ein Diagramm mit von einer Auswerteinheit ermittelten Datenpunkten sowie zwei Schwellen zur Verwendung bei einem Diagnoseverfahren.
In 1 ist ein Ventil mit einem Schieber 1, einem Anker 2, einer Spule 3 sowie einer Rückstellfeder 4 dargestellt. Das Ventil ist als Druckregelventil ausgebildet. Der Schieber und der Anker 2 bilden eine Baueinheit. Das Ventil ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug einsetzbar.
Durch Bestromung der Spule 3 ist der Schieber 1 zusammen mit dem Anker 2 entgegen der Rückstellkraft der Rückstellfeder 4 verschiebbar. Mittels des Schiebers 1 sind die drei Anschlüsse 8, 9 und 10 miteinander fluidtechnisch verbindbar. Der mittlere Anschluss 9 dient als Versorgungsanschluss, der zum Beispiel mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist. Der Anschluss 8 kann als Arbeitsanschluss dienen und ist zum Beispiel mit einem Aktuator einer Kupplung verbunden. Der Anschluss 10 kann als Abfluss zum Tank dienen. Wenn die Kraft durch den Anker 2 größer als der Arbeitsdruck ist, öffnet der Schieber 1 eine Verbindung zum Hochdruckspeicher und der Druck steigt. Ist die Kraft geringer, öffnet der Schieber 1 eine Verbindung zum Abfluss und der Druck fällt. Es handelt sich somit um einen mechanischen Regler, dessen Sollwert durch einen Strom auf die Spule 3 des Elektromagneten eingestellt wird. Dieser Strom wird durch Anlegen einer Ansteuerspannung an die Spule 3 eingestellt.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren insbesondere zur Diagnose des Ventils, um ein Verklemmen des Ventils diagnostizieren zu können. Das dynamische Verhalten des Spulenstroms i(t) sowie der Geschwindigkeit v(t) des Schiebers 1 wird durch ein Differentialgleichungssystem beschrieben: Eine erste Gleichung betrifft die zeitliche Ableitung des Stroms i(t): d/dt i(t) = (–R(T)i(t) + u(t) – K_ev(t))·1/L(x(t))
Hierbei bezeichnet L(x(t)) die positionsabhängige Induktivität der Spule 3, R(T) den temperaturabhängigen ohmschen Widerstand der Spule 3 und u(t) die Ansteuerspannung der Spule 3. Der Faktor K_e beschreibt den Einfluss der Gegeninduktion durch die Bewegung des Ankers 2.
Eine zweite Gleichung betrifft die zeitliche Ableitung der Geschwindigkeit v(t), wobei eine Fallunterscheidung vorzunehmen ist. Die Ableitung d/dt v(t) ist gleich 0, sofern die Randbedingung gilt ||K_Fi(t) – cx(t) – Ap(t)|| kleiner gleich null ist. Ansonsten gilt d/dt v(t) = (KFi(t) – cx(t) – Ap(t) – Fr(v(t)))/m. Die Größe p(t) beschreibt den Arbeitsdruck, c die Federkonstante der Feder 4, A die Wiegefläche des Schiebers 1 und K_F eine Konstante, mit der aus dem Strom i(t) die Kraft auf den Schieber 1 berechnet werden kann.
Die Differentialgleichung für die Geschwindigkeit hängt von der Masse m, der Federkonstante c, der Position des Schiebers x(t), der Proportionalitätskonstante K_F zwischen dem Spulenstrom i(t) und der Kraft auf den Anker 2, der Wiegefläche A des Schiebers 1 (nicht näher bezeichnet), dem hydraulischen Arbeitsdruck p(t) sowie der geschwindigkeitsabhängigen Reibkraft F_r(v(t)) ab. Der Verlauf der Reibkraft in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v ist in 2 dargestellt. Für negative Geschwindigkeitswerte ist die Reibkraft zunächst im Bereich 7 negativ. Für positive Geschwindigkeitswerte ist die Reibkraft im Bereich 6 positiv. Im Bereich 5 bei v(t) = 0 verhindert die Haftreibung eine Bewegung des Schiebers 1, wenn die Kraft auf den Schieber 1 und den Anker 2 kleiner als die Haftreibung F_r(0) bei v(t) = 0 ist. Dies ist in der zweiten Differentialgleichung für die Geschwindigkeit v(t) durch die Fallunterscheidung beschrieben. Ist die Kraft auf den Ventilschieber 1 und den Anker 2 in der Summe größer als die Haftreibung F_r(0) bei v(t) = 0, bricht das Ventil los und beginnt sich zu bewegen. Dieser Übergang ist für die Regelung besonders kritisch, da die Reibkraft nach dem Losbrechen typischerweise kleiner wird und sich das Ventil sehr schnell bewegen kann. Dies wird als Stick-Slip-Effekt bezeichnet.
Eine dritte Differentialgleichung drückt aus, dass die zeitliche Ableitung der Position die Geschwindigkeit darstellt: d/dt x(t) = v(t).
Eine Steuerung ist in 3 dargestellt. Zu einem gewünschten Druck am Ausgang des Ventils wird mittels einer Kennlinie 11 ein Sollstrom ermittelt. Dieser Sollstrom wird von einer Steuerung beziehungsweise von einem Regler 12 eingestellt, wobei eine entsprechende Ansteuerspannung bzw. Spannung an der Spule 13 eingestellt wird. Als Regler 12 kann beispielsweise ein PI-Regler mit anschließender Pulsweitenmodulation verwendet werden. Zudem kann durch die Steuerung beziehungsweise die Regelung 12 eine Überlagerung der Ansteuerspannung mit einem periodischen Signal höherer Frequenz vorgenommen werden, um den Schieber 1 in Bewegung zu halten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die Position des Ankers 2 beziehungsweise damit auch des Schiebers 1 und/oder die Geschwindigkeit des Schiebers 1 und/oder des Ankers 2 ermittelt. Diese Ermittlung der Geschwindigkeit oder der Position erfolgt anhand der Ansteuerspannung und der gemessenen Stromstärke der Spule 3. Es handelt sich hierbei um eine Schätzung.
Die eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass eine Grenzstromstärke, bei der der Schieber sich zu bewegen beginnt, als Maß für die Haftreibung ermittelt wird.
Im Folgenden darf das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.
Die Geschwindigkeit in Form des Anteils K_ev(t) in der ersten Differentialgleichung wird mittels der vierten Gleichung d/dt i(t) = (–R·i(t) + u(t) – d(t))·1/L ermittelt. Die Größe i(t) bezeichnet hier den simulierten Strom. Die Werte für den ohmschen Widerstand R, die Induktivität L sowie dem unbekannten Eingang d(t) werden zur Laufzeit so gewählt, so dass die Stromdifferenz zwischen dem Istwert des Spulenstroms und dem theoretischen, das heißt simulierten Wert des Spulenstroms permanent 0 ist.
Eine Auswertung vergleicht den Schätzwert d(t) = K_ev(t) mit Schwellwerten, um zu ermitteln, ob K_ev(t) = 0 oder K_ev(t) ungleich 0 gilt. Sobald der Schieber 1 aus einem definierten Zustand zum Beispiel p(t) = 0, x(t) = 0 durch Anlegen einer Ansteuerspannung an die Spule 3 losbricht, also K_ev(t) ungleich 0 ist, wird der aktuelle Strom i(t) und eine aktuelle Temperatur gespeichert. Aus dem geschätzten Widerstand R und dem ganzen Zusammenhang r(t) zwischen der Temperatur und dem ohmschen Widerstand R wird dabei die Temperatur der Spule 3 ermittelt. Somit ist diese temperaturabhängige Grenzstromstärke i_H(T) zur Überwindung der Haftreibung bei einer bestimmten Temperatur bekannt und wird bei einer entsprechenden Bewegung des Schiebers 1 aktualisiert.
Wenn die Konstanten K_F und K_e bekannt sind, kann zudem auch die Kraft F_r(0) sowie die Geschwindigkeit v(t) bestimmt werden. Dies ist allerdings nicht notwendig sondern lediglich fakultativ. In 4 sind Datenpunkte i_H(T) dargestellt.
Alternativ kann die Position des Schiebers 1 ermittelt beziehungsweise geschätzt werden, um die entsprechende Grenzstromstärke zu ermitteln. Hierbei wird die Ansteuerspannung u(t) mit einer hochfrequenten Anregung zum Beispiel einem Sinus überlagert. Die Frequenz der Anregung ist dabei so hoch zu wählen, dass aus dieser Anregung keine nennenswerte Mikrobewegung des Ankers 2 resultiert. Aus einer Messung des Stroms i(t) sowie der bekannten Ansteuerspannung u(t) kann ein Schätzwert für die aktuelle Induktivität L bestimmt werden.
5 zeigt exemplarisch einen möglichen Zusammenhang zwischen der Position x(t) und der Induktivität L(x(t)). Aus der geschätzten beziehungsweise ermittelten Induktivität L und dem bekannten Zusammenhang L(x(t)) wird auf die Position x(t) geschlossen. Mit dem so ermittelten zeitlichen Verlauf der Position x(t) kann wiederum bestimmt werden, bei welchem Strom der Schieber 1 losgebrochen ist beziehungsweise anfängt sich zu bewegen. Diese Positionsmessung erfordert eine hochfrequente, rauscharme Strommessung, da der Zusammenhang zwischen der Position x(t) und der Induktivität L(x(t)) stark nicht linear sein kann.
Vorzugsweise wird die oben beschriebene Geschwindigkeitsermittlung verwendet, um die Haftreibung direkt zu kompensieren. Hierzu wird zu dem Wert für den Strom, der sich aus der Kennlinie 11 ergibt derjenige Strom i_H(T) addiert, der bei der aktuellen Temperatur T laut der Berechnung nötig ist, um die Haftreibung zu überwinden. Die Summe des Stroms aus der Kennlinie 11 und der Grenzstromstärke wird dann der Steuerung 12 als Sollwert zugeführt.
Alternativ kann ein Regelungsverfahren verwendet werden, bei dem die Amplitude, Frequenz und/oder Asymmetrie eines Überlagerungssignals in Strom oder Spannung an die Größenordnung der Haftreibung angepasst wird. Insbesondere ist die Amplitude des Überlagerungssignals so zu wählen, dass für die Amplitude i_A des aus dem Überlagerungssignals resultierenden Stromverlaufs i_A > i_H(T) bzw. K_Fi_A > Fr (0) gilt.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die in 4 dargestellte Kennlinie ausgewertet. Wenn ein Anstieg der Haftreibung, das heißt ein Anstieg der Grenzstromstärke i_H, diagnostiziert wird, wird vorzugsweise durch eine spezielle Ansteuerung versucht, das Ventilverhalten zu verbessern oder eine Fehlermeldung auszulösen. Der Schieber 1 kann insbesondere in Schwingung versetzt werden, um Verunreinigungen zu entfernen.
Im Folgenden darf anhand von 6 ein beobachterbasiertes Verfahren zur Ermittlung der zeitabhängigen Geschwindigkeit insbesondere zur Ermittlung des Anteils K_ev(t) beschrieben werden. Es wird davon ausgegangen, dass der ohmsche Widerstand der Spule 3 bzw. 13 mit einem geeigneten Verfahren ermittelt worden ist und vorliegt. 11 zeigt wiederum die Kennlinie 11, die Steuerung 12 sowie die Spule 13. Gegebenenfalls kann ein Tiefpassfilter 14 zur Filterung des gemessenen Stroms verwendet werden. Als Systemmodel 16 wird die vierte Differentialgleichung verwendet. Das Signal d(t) wird durch eine Rückführung 15 des Beobachterfehlers nämlich des Residuums e(t) generiert, wobei das Residuum e(t) durch die Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Strom und dem berechneten Strom gebildet wird. Die Rückführung 15 ist dabei so ausgelegt, dass das Residuum e(t) permanent bei e(t) = 0 gehalten wird. Über einen Adaptionsmechanismus 17 wird der ohmsche Widerstand der Spule im Systemmodel aktualisiert.
In 7 sind zwei geeignete Rückführungen 15 dargestellt. Die obere Rückführung weist einen Integralteil 21 sowie zwei Verstärker 18 und 19 auf. Die andere Rückführung weist ebenfalls zwei Verstärker 18 und 19 und eine nicht lineare Sliding-Mode-Rückführung 22 auf.
Alternativ kann ein optimierungsbasiertes Verfahren verwendet werden, um die Ermittlung der Geschwindigkeit zu realisieren. 8 zeigt einen Ablauf eines solchen optimierungsbasierten Verfahrens zur Ermittlung von K_ev(t), des ohmschen Widerstands R(T) sowie die Induktivität L. Hierzu wird in einem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t = t₀ + t_N eine Zeitreihe von Spannungen u(t) sowie Strömungen i(t) durch eine Recheneinheit 22 aufgezeichnet. Zum Zeitpunkt t wird von der Recheneinheit 22 ein Optimierungsproblem gelöst, wobei das Minimum eines Integrals über das Zeitinterval t0 bis t0 + tn des quadrierten Residuums berechnet wird, wobei die Faktoren L, R und der Anteil d(t) in der vierten Differentialgleichung bzgl. des theoretischen Stroms zur Minimierung variiert und somit bestimmt werden.
Es werden also mittels nummerischer Optimierung Parameter bestimmt, so dass die vierte Differentialgleichung möglichst genau die Messwerte abbildet. Die Grenzwerte R_min kleiner als R kleiner als R_max und L_min kleiner als L kleiner als L_max werden genutzt, um bekannte Grenzen der Parameter der Spule 3 zu berücksichtigen. Hieraus kann direkt der ohmsche Widerstand sowie eine Zeitreihe für K_ev(t) abgelesen werden. Die Optimierung wird zum vorher bestimmten Zeitpunkt zum Beispiel zyklisch wiederholt, um aktuelle Ergebnisse zu erhalten.
In bevorzugter Ausgestaltung wird diese Optimierung in Echtzeit durchgeführt. In bevorzugter Ausgestaltung ist nur eine eingeschränkte Rechenleistung notwendig, wozu die folgenden Schritte vorgeschlagen werden. Das Optimierungsproblem wird vorzugsweise in einer zeitdiskreten Form mit Zeitpunkten t_k = kT bzw. t_k+1 = (k + 1)T mit dem Abtastinterval T umformuliert.
Zum Zeitpunkt t wird von der Recheneinheit 22 ein Optimierungsproblem gelöst, wobei das Minimum der Summe des quadrierten Residuum (i_i – l ^_l)² (i_l ist Strommesswert, l ^_l ist der theoretische Stromwert) über alle Zweitpunkte l = k bis k + N berechnet wird. Die Differentialgleichung lässt sich iterativ mittels der Gleichung l ^_k+1 = l ^_k+ T/L·(–Rl ^_k + u_k – d_k) berechnen. Die Faktoren L, R und der d_k in dieser Gleichung bzgl. des theoretischen Stroms werden zur Minimierung variiert und somit bestimmt. Die Grenzwerte R_min kleiner als R kleiner als R_max und L_min kleiner als L kleiner als L_max werden genutzt, um bekannte Grenzen der Parameter der Spule 3 zu berücksichtigen.
Zu einem Anfangszeitpunkt werden die Optimierungsvariablen mit den nominalen Werten für die Induktivität, den ohmschen Widerstand mit d_k = 0 initialisiert. Zu einem weiteren Berechnungszeitpunkt werden die Lösungen aus der vorherigen Optimierung als Initialwert für die Optimierungsvariablen im aktuellen Zeitschritt verwendet. Es werden nur einige wenige Iterationen des nummerischen Optimierungsverfahrens ausgeführt.
9 zeigt ein mittels des Optimierungsverfahrens rekonstruierten zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit bei einer Änderung der Ansteuerung sowie die Schwellen der Auswertelogik 23 und den zeitlichen Verlauf des Stroms an der Spule. Gut zu erkennen ist, dass der simulierte Strom und der gemessene Strom übereinstimmen. In 6 und 8 ist die Auswerteeinheit 23 schematisch dargestellt. In dieser Auswerteeinheit 23 wird aus dem bekannten Zusammenhang zwischen dem ohmschen Widerstand und der Temperatur die aktuelle Temperatur bestimmt. Wenn sich das Ventil in einem bekannten Betriebszustand zum Beispiel p(t) = 0, x(t) = 0 befindet und d(t) eine Schwelle überschreitet oder eine Schwelle S2 unterschreitet wird die Grenzstromstärke i_H(t) in einem Kennfeld gespeichert, das den Strom i_H über der Temperatur T abbildet.
9 zeigt das Losbrechen eines Schiebers 1 aus dem Zustand p(t) = 0, x(t) = 0 und Ergebnisse der optimierungsbasierten Rekonstruktion. Der mittels der vierten Gleichung simulierte Strom stimmt mit dem gemessenen Strom überein. Aufgrund eines Losbrechens des Schiebers 1 werden die Schwellwerte der Auswerteeinheit 23 überschritten; dies ist durch einen Kreis in dem unteren Diagramm angedeutet. Der Strom zu diesem Zeitpunkt wird zusammen mit der aktuellen Temperatur in einem Kennfeld gespeichert.
10 zeigt nun ein Regelungsverfahren mit direkter Haftreibungskompensation. Das in 10 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Regelkreis, wobei die Ergebnisse der Auswerteeinheit 23 berücksichtigt werden, um die auftretende Haftreibung zu kompensieren. Zu einem Solldruck p_S wird mittels der Kennlinie 11 ein Sollstrom i_S ermittelt. Die Störgrößenkompensation 24 ermittelt anhand der aktuell geschätzten Temperatur T, des Kennfelds der Auswerteeinheit 23, der aktuell geschätzten Geschwindigkeit und dem Vorzeichen der Änderung des Drucksollwertes den zur Überwindung der Haftreibung nötigen Strom. Es werden hierbei mehrere Fälle unterschieden: Wenn die Geschwindigkeit v(t) = 0 ist, d. h d(t) ungefähr null ist, nämlich d(t) in einem Intervall [s2, s1] liegt, so wird bei einer positiven Änderung des Drucksollwertes die Grenzstromstärke i_H(T) zum Sollwert i_S hinzuaddiert und bei einer negativen Änderung des Drucksollwertes wird die Grenzstromstärke i_H(T) vom Sollwert i_S abgezogen. Je nachdem in welche Richtung sich der Anker 2 bewegt, werden ebenfalls zwei Fälle unterschieden. Auch wenn der Anker 2 bewegt wird, ist es sinnvoll, die Grenzstromstärke zu berücksichtigen, da die Gleitreibung in der gleichen Größenordnung wie die Haftreibung liegen kann (vgl. 2). Wenn d(t) größer als s1 ist, wird die Grenzstromstärke i_H(T) zum Sollwert i_S hinzuaddiert. Wenn d(t) kleiner als s2 ist, wird die Grenzstromstärke i_H(T) vom Sollwert i_S abgezogen.
Ferner ist auch eine indirekte Haftreibungskompensation möglich. Hier wird vorzugsweise ein Regelungsverfahren mit einem angepassten Überlagerungssignal verwendet. Wird eine Regelung mit einem periodischen Überlagerungssignal verwendet, so gilt für die Amplitude des aus dem Überlagerungssignal resultierenden Stroms, dass die Amplitude größer als die Grenzstromstärke ist i_A > i_H(T). In einem entsprechenden Verfahren erzeugt die Störgrößenkompensation 24 ein Überlagerungssignal mit Amplitude i_A > i_H(T). Darüber hinaus sind eine Anpassung der Frequenz und/oder eine Asymmetrie des Überlagerungssignals an die Größenordnung der von der Auswerteeinheit 23 ermittelten Haftreibung möglich. Zum Beispiel kann bei besonders starker Haftreibung die Frequenz des Überlagerungssignals herabgesetzt werden.
11 zeigt die von der Auswerteeinheit 23 ermittelten Datenpunkte sowie zwei Schwellen 25, 26, die für ein Diagnoseverfahren verwendet werden. Wenn der Strom zur Überwindung der Haftreibung für eine bestimmte Zeit eine erste Schwelle 25 überschreitet wird vorzugsweise in einem geeigneten Betriebszustand zum Beispiel nach einem Abstellen des Fahrzeugs ein Steuersignal aktiviert, dass die Ventileigenschaften verbessern kann. Insbesondere können Verunreinigungen im Ventil zu hoher Haftreibung führen und durch ein geeignetes Steuersignal entfernt werden. Zum Beispiel kann mittels des Steuersignals eine periodische Anregung mit hoher Amplitude und niedriger Frequenz erzeugt werden, um die Haftreibung zu vermindern.
Wenn der Strom zur Überwindung der Haftreibung für eine bestimmte Zeit eine zweite Schwelle 26 überschreitet, wird ein Fehler erkannt und eine Fehlermeldung ausgegeben und ggf. weitere Schritte eingeleitet.
Bezugszeichenliste

1: Schieber
2: Anker
3: Spule
4: Feder
5: Bereich
6: Bereich
7: Bereich
8: Anschluss
9: Anschluss
10: Anschluss
11: Kennlinie
12: Regler
13: Spule
14: Tiefpassfilter
15: Rückführung
16: Systemmodell
17: Adaptionsmechanismus
18: Verstärker
19: Verstärker
20: Sliding-Mode-Rückführung
21: Integralteil
22: Recheneinheit
23: Auswerteeinheit
24: Störgrößenkompensation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009002852 A1 [0004]
DE 10315152 A1 [0005]
DE 10235432 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines elektromagnetischen Ventils mit einem Anker (2) und einer Spule (3), wobei der Anker (2) in einem magnetischen Feld der Spule (3) bewegt wird, wobei eine Geschwindigkeit und/oder eine Position des Ankers (2) aus der Ansteuerspannung und einer elektrischen Messgröße, insbesondere dem Strom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzstromstärke, bei der sich der Anker (2) beginnt zu bewegen, als Maß für die Haftreibung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein theoretischer Strom i(t) mittels der Differentialgleichung d/dt i(t) = (–R·i(t) + u(t) – d(t))·1/L ermittelt wird, wobei Werte für den ohmschen Widerstand R und die Induktivität R sowie die Funktion d(t) so gewählt werden, dass die Stromdifferenz aus dem gemessenen Strom und einem theoretischen Strom i(t) gleich 0 ist, wobei die Funktion d(t) proportional zur Geschwindigkeit v(t) ist und mittels der Funktion d(t) ermittelt wird, ob die Geschwindigkeit v(t) gleich null ist oder größer als null ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Widerstand R und einer die Temperaturabhängigkeit des Widerstands beschreibenden Kennlinie eine Temperatur T der Spule (3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Ankers (2) ermittelt wird, indem die Steuerspannung in einem Anregungssignal überlagert wird, wobei die Frequenz des Anregungssignals so hoch gewählt ist, dass keine Bewegungen des Ankers (2) aufgrund der Anregungsfrequenz resultieren, wobei ein Schätzwert für die aktuelle Induktivität bestimmt wird, wobei aus der bestimmten Induktivität und einer in dem Zusammenhang zwischen der Induktivität und der Position des Ankers (2) beschreibenden Kennlinie die Position des Ankers (2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftreibung durch Verwendung der Grenzstromstärke bei einer Regelung kompensiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überlagerungssignal zur Erzeugung von Mikrobewegung erzeugt wird, wobei eine Amplitude, eine Frequenz und/oder eine Asymmetrie des Überlagerungssignals der Größe der Haftreibung angepasst wird, wobei eine Stromamplitude des Überlagerungssignals größer als die Grenzstromstärke ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Grenzstromstärke eine Schwelle (25) überschreitet, das Ventil mit einem Steuersignal angesteuert wird, wobei mittels des Steuersignals der Anker (2) bewegt wird, um Verschmutzungen im Ventil und somit die Haftreibung und damit die Grenzstromstärke zu verringern.
Steuergerät mit einem Speicher, wobei der Speicher eine Software zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.