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Stand der Technik
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Für übliche Fahrsicherheitssysteme werden stromlos geschlossene Magnetventile häufig als Schaltventile eingesetzt. Beim Öffnen bzw. Schließen solcher Magnetventile werden Schaltgeräusche erzeugt. Der Grund dafür ist, dass der Anker des Magnetventils mit großer Geschwindigkeit beim Ventil-Öffnen gegen den Polkern (Anschlag) des Ventils schlägt. Beim Schließen prallt der Anker mit dem Schließelement in den Ventilsitz. Dies erzeugt große Verzögerungen am Anker und somit große, zeitabhängige, pulsförmige Kräfte im Ventil. Dies führt zu Schaltgeräuschen und zu Verschleiß des Ventilsitzes, bzw. des Ventilschließelementes.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier beschrieben werden sollen ein neuartiges Verfahren und ein Steuergerät. Das Verfahren kann mit diesem Steuergerät ausgeführt werden. Das Verfahren und das Steuergerät ermöglichen eine signifikante Reduktion derartiger Schaltgeräusche.
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Das Verfahren ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils mit einem Schließkörper und einer Ruheposition, wobei der Schließkörper entlang einer Bewegungsrichtung parallel zu einer Durchströmungsrichtung von aus der Ruheposition weg bewegbar ist, aufweisend die folgenden Schritte:
- a) Vorgeben einer Soll-Position des Schließkörpers (27),
- b) Empfangen von mindestens einer Eingangsgröße, die durch eine Ist-Position des Schließkörpers (27) beeinflusst wird,
- c) Ermitteln einer geschätzten Ist-Position aus der mindestens einen Eingangsgröße,
- d) Ermitteln einer Regelabweichung aus der Differenz der Sollposition und der Ist-Position,
- e) Erzeugen einer Ansteuerungsspannung (u) zur Ansteuerung des Magnetventils (1) unter Verwendung der Regelabweichung, und
- f) Ausgabe der Ansteuerungsspannung (u) zur Ansteuerung des Magnetventils (1).
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Das hier beschriebene Verfahren kann insbesondere mit einem dafür eingerichteten Steuergerät durchgeführt werden, das im Folgenden erläutert wird.
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Das Magnetventil mit dem Schließkörper und der Ruheposition, bei welcher der Schließkörper entlang einer Bewegungsrichtung parallel zu einer Durchströmungsrichtung von der Ruheposition weg (bzw. aus der Ruheposition raus) bewegbar ist, ist insbesondere von einem Magnetventil abzugrenzen, bei welchem ein Schließkörper senkrecht zu einer Durchströmungsrichtung bewegbar ist. Bei dem hier behandelten Magnetventil übt nämlich das durch das Magnetventil strömende Fluid eine Kraft auf den Schließkörper aus, die insbesondere stark unterschiedlich ist, je nachdem ob das Magnetventil in einer Vorwärtsströmungsrichtung oder in einer Rückwärtsströmungsrichtung durchströmt wird. Dies verkompliziert die Ansteuerung eines solchen Magnetventils.
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Die Ruheposition kann auch als Ausgangsposition bezeichnet werden. IN der Ruheposition befindet sich das Ventil entweder im Zustand „geöffnet“ oder im Zustand „geschlossen“ - je nach Bauart des Ventils. ist insbesondere ein Ventilsitz. Das beschriebene Verfahren ist auf viele verschiedene Arten von Ventilen. Beispiele hierfür sind:
- - Ventile mit einem Schließkörper, der parallel zur Durchströmungsrichtung beweglich ist und in einer Stellung sich an einem Ventilsitz befindet bzw. an einem Ventilsitz anliegt. Solche Ventile können auch als Ventile mit „paralleler Schließkörperbewegungsrichtung“ bezeichnet.
- - Hier auch umfasst sind Ventile, die Schließkörper haben, die senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Ventils beweglich sind und in einer Ruheposition/Ausgangsposition sich im Zustand „geöffnet“ oder „geschlossen“ befinden. Auch bei solchen Ventilen kann die Ruheposition als „Ventilsitz“ bezeichnet werden. Solche Ventile können auch Schieberventile sein. Solche Ventile werden auch als Ventile mit „senkrechter Schließkörperbewegungsrichtung“ bezeichnet.
- - Ebenfalls umfasst sind Ventile mit Steuerkanten. Steuerkanten können als zusätzliche Merkmale an Ventilen mit paralleler Schließkörperbewegungsrichtung und mit senkrechter Schließkörperbewegungsrichtung vorgesehen sein.
- - Membranventile, die normalerweise einen Sonderfall von Ventilen mit paralleler Schließkörperbewegungsrichtung bilden und bei denen der Schließkörper regelmäßig eine Membran ist.
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Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens macht grundsätzlich bei allen Arten von Ventilen Sinn, bei denen durch das durchströmende Fluid Kräfte auf den Schließkörper ausgeübt werden, die in Schließkörperbewegungsrichtung wirken. Solche Kräfte bzw. deren Auswirkung können mit dem beschriebenen Verfahren geschickt behandelt werden. Eine solche Kraft kann auch als „Hydraulikkraft“ auf den Schließkörper bezeichnet werden.
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Ein stromlos geschlossenes Ventil aber auch ein stromlos offenes Ventil (das hier in keinem der Bilder dargestellt ist), wie sie in Fahrsicherheits-Systemen eingesetzt werden, kann mit Rückwärtsdurchströmung nicht als Stetigventil, sondern nur als Schaltventil arbeiten. Die Ursache hierfür ist, dass auf das Schließelement, das mit dem Anker verbunden ist, eine Hydraulikkraft in Schließrichtung des Schließelementes wirkt, so dass sich kein stabiles Kräftegleichgewicht zwischen den auf das Schließelement wirkenden drei Kräfte: Magnetkraft, Federkraft und Hydraulikkraft ausbilden kann. In Vorwärtsdurchströmung (Strömungsrichtung von der Ruheposition zum Schließelement hin) kann sowohl das stromlos geschlossene Ventil, als auch das stromlos offene Ventil als Stetig- und als Schaltventil arbeiten.
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In diesem Fall wirkt die Hydraulikkraft in öffnender Richtung des Ventilschließelementes. Magnet-, Feder- und Hydraulikkraft bilden ein stabiles Kräftegleichgewicht in einem gewissen Hub-Bereich, so dass ein Stellbetrieb für diesen Fall möglich ist. Ohne Durchströmung wirkt keine Hydraulikkraft auf das Schließelement. In diesem Fall kann das stromlos geschlossene Ventil, als auch das stromlos offene Ventil nur als Schaltventil arbeiten.
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Das hier beschriebene Magnetventil hat darüber hinaus bevorzugt einen Anker, der mit dem Schließkörper verbunden ist und mit welchem der Schließkörper beweglich ist. Der Anker ist mit einer Feder in einer bestimmten Position (stromlos offen oder stromlos geschlossen) vorgespannt. Der Anker kann mit Hilfe einer magnetischen Kraft bewegt werden. Die magnetische Kraft wird mit einer Spule erzeugt, die in einer Magnetgruppe, einem Kern und dem Anker wirkt. Es existiert ein Arbeitsspalt zwischen dem Kern und dem Anker, an welchem die magnetischen Kräfte wirken, die den Anker relativ zu dem Kern bewegen können.
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Mit der hier beschriebenen Magnetventil-Ansteuerung kann ein Schaltventil sogar als stetig stellbares Ventil betrieben werden. Ein stetig stellbares Ventil ist ein Ventil bei welchem der durchströmbare Ventilquerschnitt stetig verstellt werden kann, um ein durch das Ventil hindurch strömenden Fluidfluss genau einzustellen.
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Das hier beschriebene Verfahren sowie ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät stellen eine Lageregelung für den Anker bzw. den Schließkörper eines Ventils bereit. Die Ankerlage entspricht der Istposition in Schritt c).
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Die Soll-Position in Schritt a) entspricht der Position, die der Anker bzw. der Schließkörper des Magnetventils einnehmen soll.
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Die in Schritt b) empfangene Eingangsgröße ist insbesondere eine elektrische Größe, die an einer Spule des Magnetventils ermittelt werden kann und insbesondere ein elektrischer Strom und ggf. auch eine elektrische Spannung. Damit, dass die empfangene Eingangsgröße die Ist-Position beeinflusst ist gemeint, dass die Eingangsgröße einen Einfluss auf die Ist-Position hat bzw. die Ist-Position unter der Einwirkung dieser Eingangsgröße verändert wird. Neben Eingangsgrößen, die die Ist-Position beeinflussen sind auch Eingangsgrößen denkbar, die selbst wiederum von der Ist-Position beeinflusst werden. Hierzu zählt beispielsweise der Strömungswiderstand für ein Fluid, welches durch das Magnetventil strömt. Eine Eingangsgröße, die die Ist-Position beeinflusst, kann von einer Eingangsgröße, die durch die Ist-Position beeinflusst wird, normalerweise nicht eindeutig abgegrenzt werden. Es existieren auch Eingangsgrößen, die die Ist-Position beeinflussen und gleichzeitig durch die Ist-Position beeinflusst werden. Der elektrische Strom zählt beispielsweise hierzu. Einerseits tritt der Strom in Folge einer an dem Magnetventil anliegenden elektrischen Spannung auf und erzeugt eine magnetische Kraft, die die Ist-Position beeinflusst. Gleichzeitig wird aber durch die Veränderung der Ist-Position eine elektrische Induktion hervorgerufen, die einen überlagernden Strom erzeugt. Der resultierende elektrische Strom beeinflusst also einerseits die Ist-Position und wird andererseits von der Ist-Position beeinflusst. Hier werden Größen, bei denen der Einfluss auf die Ist-Position überwiegt als Eingangsgrößen im Sinne von Schritt b) verstanden. Hierzu zählt auch der beschriebene elektrische Strom, weil der überlagerte induzierte Strom jedenfalls geringer ist als der durch die elektrische Spannung bewirkte Strom, welcher sich auf die Ist-Position auswirkt.
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Die Berechnung der Regelgröße (der Ist-Position des Ankers, bzw. Schließelementes) erfolgt in Schritt c) aus der mindestens einen Eingangsgröße in Schritt b). Eine Ist-Position des Ankers bzw. des Schließkörpers wird in Schritt c) aus der Spulen-Ansteuerspannung U und dem Spulenstrom I ermittelt. Die Ansteuerspannung U und der Spulenstrom I sind Messgrößen. Die Ankerlage x wird im Logikteil des Steuergeräts berechnet und dann mit einem Sollwert x_soll verglichen. Die Regelabweichung wird einem Regler zugeführt. Der Regler steuert eine Endstufe an, die das Magnetventil mit der richtigen Spannung ansteuert.
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Die Berechnung der Regelabweichung erfolgt in Schritt d) so wie dies auch erfolgen würde, wenn die Ist-Position nicht geschätzt, sondern gemessen wäre, nämlich durch Subtraktion von Soll-Position und Ist-Position, um eine Differenz beider Werte zu ermitteln. Die Ansteuerungsspannung zur Ansteuerung des Magnetventils wird nun unter Verwendung der Regelabweichung in Schritt e) berechnet. Dies geschieht üblicherweise mit einem Regler, der wie nachfolgend noch erläutert ausgeführt sein kann. Eventuell kommt zusätzlich noch eine Endstufe zum Einsatz mit welcher das Ausgangssignal des Reglers in die benötigte Spannung umgesetzt werden kann.
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In Schritt f) erfolgt die Ausgabe der Ansteuerungsspannung an das Magnetventil.
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Vorteilhaft ist, dass durch die Verwendung des beschriebenen Steuergeräts und des beschriebenen Verfahrens auf einen Lagesensor zur Überwachung der Lage des Ankers bzw. des Schließkörpers des Magnetventils verzichtet werden kann.
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Durch die Lageregelung mit dem beschriebenen Verfahren und dem beschriebenen Steuergerät kann die Ankergeschwindigkeit bzw. die Geschwindigkeit des Schließkörpers gezielt so niedrig gewählt werden, dass das Schaltgeräusch nicht mehr hörbar ist und auch der Ventilverschleiß klein wird.
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Mit dem beschriebenen Steuergerät und dem beschriebenen Verfahren können 2/2-Ventile mit Kugel-Kegel-Sitz für Fahrsicherheitssysteme (z.B. für ESP) als Stetigventil für Vorwärtsdurchströmung und Rückwärtsdurchströmung eingesetzt werden. Mit dem beschriebenen Steuergerät und dem beschriebenen Verfahren ist der Betrieb von derartigen Ventilen für stromlos offene Anwendungen als auch für stromlos geschlossene Anwendungen möglich.
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Ohne das beschriebene Steuergerät und das beschriebene Verfahren ist es schwierig oder sogar nicht möglich, Ventile des Typs stromlos offen, oder stromlos geschlossen, für Fahrsicherheitssysteme z. B. für ESP so auszuführen, dass diese sowohl für eine Vorwärtsdurchströmung als auch für eine Rückwärtsdurchströmung so angesteuert werden können, dass das Ventil als Stetigventil verwendet werden kann, bzw. so, dass der freie durchströmte Querschnitt genau einstellbar ist. Dies wird mit dem beschriebenen Steuergerät und dem beschriebenen Verfahren möglich.
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Das hier beschriebene Verfahren und das hier beschriebene Steuergerät basieren darauf, dass dem Ventil ein inverses Software-Magnetkreis-Modell vorgeschaltet wird, welches in dem Verfahren bzw. in dem Steuergerät implementiert ist.
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Teil des inversen Software Magnetkreismodells sind Zusatzkennfelder, wie sie im Folgenden in 5b beschrieben und erläutert werden. Ziel des inversen Software Magnetkreismodelles ist die Stabilität und die Regelabweichung des Lage-Regelkreises zu verbessern.
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Besonders vorteilhaft sind das beschriebene Verfahren und ein zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtetes Steuergerät, wenn in Schritt b) zusätzlich mindestens eine Eingangsgröße empfangen wird, die eine Ist-Position des Schließkörpers beeinflusst, wobei diese Eingangsgröße für die Ermittlung der geschätzten Ist-Position in Schritt c) verwendet wird.
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Eine solche Eingangsgröße kann beispielsweise die Ausgangsgröße des Reglers bzw. des Steuergerätes sein, nämlich die Spannung, mit der der Magnetkreis des Magnetventils beaufschlagt wird. Durch die Verwendung dieser Spannung in Schritt c) kann ein besonders gutes Modell des Magnetkreises umgesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft sind das beschriebene Verfahren und ein zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtetes Steuergerät, wenn in Schritt b) zusätzlich mindestens eine Eingangsgröße empfangen wird, die mit einer Sensorspule in dem Magnetventil ermittelt wird und welche durch eine Ist-Position des Schließkörpers beeinflusst wird.
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Eine solche Sensorspule ist nachfolgend noch eingehend erläutert. Eine solche Sensorspule ist insbesondere Teil des Magnetventils. Mit einer solchen Sensorspule innerhalb des Magnetventils kann eine Eingangsgröße für das hier beschriebene Verfahren und das hier beschriebene Steuergerät ermittelt werden, die von Quereinflüssen (wie beispielsweise der Temperatur der Spule des Magnetventils) unabhängig ist.
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In weiteren Ausführungsvarianten kann die von dem Verfahren bzw. in dem Steuergerät ausgeführte Lageregelung mit einem Zustandsregler erfolgen.
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Der Zustandsregler bewirkt, dass die geschätzte Ist-Position besser der (dem Regelkreis) vorgegebenen Soll-Position folgt, bzw. die Regelabweichung zwischen Ist- und Soll-Position möglichst klein wird. In anderen Worten: Durch den Zustandsregler soll das Einschwingverhalten der Regelgröße (d. h. der Ankerlage, bzw. Lage des Schließelementes) verbessert werden, bzw. die Stabilität des Lage-Regelkreises vergrößert oder überhaupt erst ermöglicht werden.
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Die detaillierte Auslegung des Verfahrens bzw. des Steuergeräts kann mittels Simulation erfolgen. Parameter und Kennfelder, die für das beschriebene Verfahren benötigt werden können mittels Simulation oder auch mittels Messungen ermittelt werden.
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Das beschriebene Verfahren und das beschriebene Steuergerät können insbesondere für Schaltventile in folgenden Anwendungen eingesetzt werden:
- • IPB Integrated Power Brake
- • PSV, Plunger Separating Valve wird für das Bremssystem IPB (Integrated Power Brake) als Schaltventil eingesetzt
- • SSV, Simulator Separating Valve wird für das Bremssystem IPB (Integrated Power Brake) als Schaltventil eingesetzt
- • CSV, Control Separating Valve wird für das Bremssystem IPB (Integrated Power Brake) als Schaltventil eingesetzt
- • ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm)
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Grundsätzlich ist einer der wichtigsten Effekte des hier beschriebenen Verfahrens und des hier beschriebenen Steuergeräts die erreichbare Verminderung von Schaltgeräuschen sowie die Verminderung eines Ventilsitz-Verschleißes.
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Von den beschriebenen Anwendungsmöglichkeiten soll hier insbesondere die Anwendungsmöglichkeit für Stellventile bei ESP-Systemen hervorgehoben werden.
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Das Auslassventil wird bei ESP-Systemen in Rückwärtsdurchströmung 25 (d.h. das Ventil wird in Schließrichtung des Schließelementes durchströmt. 9) betrieben. Bei dieser Durchströmung des Auslassventils eines ESP-Systems wirkt die Hydraulikkraft des durchströmenden Fluids tendenziell destabilisierend auf den Anker. Hiermit ist gemeint, dass die Hydraulikkraft des Fluids die Position des Ventilankers in einer Weise beeinflusst, dass sich der Ventilanker nicht mehr im stabilen Kräftegleichgewicht befindet, und der Ventilanker keine Zwischenposition bzw. Zwischenhub (zwischen Maximal-Hub, d.h. Ventil-Offen-Stellung und Minimal-Hub, d.h. Ventil-Geschlossen-Stellung) stabil einnehmen kann. D.h. das Auslassventil kann in dieser Betriebsart nicht als Stellventil, bzw. Stetigventil arbeiten. Die Position des Ventilankers wird aus der Summenkraft, die sich aus der Magnetkraft, Federkraft und Hydraulikkraft ergibt, bestimmt. Ob der Ventilanker sich in einem stabilen Kräftegleichgewicht, in einer bestimmten Zwischenposition, befindet, hängt von den Steigungen über dem Hub (bzw. den Steifigkeiten) dieser drei Kräfte (Magnetkraft, Federkraft und Hydraulikkraft), die sich an dieser bestimmten Zwischenposition ergeben, ab. Wird der Ventilanker aus dieser besagten Zwischenposition (d.h. Kräftegleichgewichtsposition), in der die drei Kräfte (Magnetkraft, Federkraft und Hydraulikraft) im Kräftegleichgewicht sind, geringfügig durch eine Störung von der besagten Zwischenposition wegbewegt, so muss sich aus diesen 3 Kräften eine resultierende Summenkraft ergeben, die eine rückstellende Kraft mit Wirkungsrichtung hin zur besagten Kräftegleichgewichtsposition bewirkt und damit den Ventilanker wieder in diese Zwischenposition (Kräftegleichgewichtsposition) zurück schiebt. In diesem Fall befindet sich der Anker im stabilen Kräftegleichgewicht.
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Der Ventilanker befindet sich im instabilen (oder labilen) Kräftegleichgewicht, wenn die resultierende Summenkraft, die sich ergibt bei einer geringfügigen Auslenkung weg von der Kräftegleichgewichtsposition, eine Wirkungsrichtung hat, die den Ventilanker weiter weg schiebt von der Kräftegleichgewichtslage, d.h. in Richtung Ventil-Offen- oder Ventil-Geschlossen-Stellung.
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Deshalb kann das Auslassventil eines ESP-Systems aktuell nur als Schaltventil betrieben werden. Es muss entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sein. Eine bestimmte Durchströmungsmenge lässt sich nur durch ein schnell aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen des Ventils realisieren.
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Mit dem hier beschriebenen Steuergerät und dem hier beschriebenen Verfahren kann ein übliches Schaltventil auch unter solchen Betriebsbedingungen als Stetigventil betrieben werden.
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Das hier beschriebene Verfahren und das hier beschriebene Steuergerät können aber auch eingesetzt werden, um ein übliches stromlos offenes Schaltventil so zu betreiben, dass dieses im Betrieb geräuschärmer ist und der Verschleiß reduziert ist.
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Zum Öffnen eines stromlos geschlossenen Magnetventils mit Kugel-Kegel-Sitz (das heißt mit einer Kugel als Schließkörper und einem Kegel als Ventilsitz) wird eine elektrische Spannung an einen Ventilantrieb angeschlossen. Durch die elektrische Spannung fließt ein Strom I in der Magnetspule, wodurch ein magnetischer Fluss Φ im Eisenkreis (gebildet von einem Eisenkern der Magnetspule sowie von einem Eisenkern des Ventilankers) und auch in einem Arbeitsspalt zwischen der Magnetspule und dem Eisenkreis aufgebaut wird.
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Dadurch wirkt im Arbeitsluftspalt eine Magnetkraft Fmagnet(x, l) auf den Anker, entgegen der Federkraft Ffeder(x), und öffnet das Ventil. Die Magnetkraft ist also abhängig von der aktuellen Position des Ventilankers (mit „x“ beschrieben) und von dem fließenden elektrischen Strom „l“. Die Federkraft ist nur abhängig von der aktuellen Position des Ventilankers „x“.
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Wenn die Magnetkraft die Federkraft übersteigt wird ein Öffnungsquerschnitt am Kugel-Kegel-Sitz des Ventils freigegeben.
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Beim Öffnen des Ventils im klassischen Prinzip nimmt die Ankergeschwindigkeit v entlang des Weges x zu. Üblicherweise trifft der Schließkörper des Ventils auf den Ventilsitz bzw. den gegenüberliegend zum Ventilsitz bestehenden anderen Anschlag im Ventil mit maximaler Geschwindigkeit v_max auf.
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Durch eine große (schlagartige) Ankerverzögerung wirken große, zeitabhängige, pulsförmige Kräfte auf den Anschlag (bzw. Polkern). Hierdurch können Strukturschwingungen im Ventil bzw. in den Anbauteilen ausgelöst werden und somit kann es zu einer Schallabstrahlung (als einem Geräusch) kommen.
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Außerdem verursachen die großen pulsförmigen Kräfte (mit großem Trägheitskraftanteil, wegen der großen Ankerverzögerung) Verschleiß am Schließelement. Der hier für das Öffnen des Ventils beschriebene Vorgang läuft analog beim Schließen des Ventils ab, welches im Falle eines stromlos geschlossenen Ventils beim Abschalten der elektrischen Spannung U auftritt. Der Anschlag an welchem der Ventilanker anschlägt, ist in diesem Fall der Ventilsitz.
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Besonders vorteilhaft sind das Verfahren und das Steuergerät, wenn in Schritt c) mindestens ein aus in Schritt b) aus Eingangsgrößen berechneter Zwischenwert aufintegriert wird, um die Ist-Position zu ermitteln.
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Die weiter oben beschriebenen Einganggsrößen (Spannungen und Ströme, die an dem Magnetkreis des Magnetventils wirken) bewirken direkt oder zumindest indirekt Kräfte auf den Anker bzw. den Schließkörper des Magnetventils. Das Aufintegrieren eines Zwischenwertes, der aus diesen Eingangsgrößen gebildet wird, ist eine geeignete Vorgehensweise um einen Schätzwert für die Ist-Position zu ermitteln.
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Hier außerdem beschrieben werden soll ein Verfahren, bei dem in Schritt c) mindestens ein Kennfeld oder mindestens eine mathematische Funktion verwendet wird, um die Ist-Position zu ermitteln. Die Verwendung von Kennfeldern wurde oben bereits vorgeschlagen und wird nachfolgend noch eingehender erläutert.
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Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn mindestens ein in Schritt c) verwendetes Kennfeld und/oder mindestens eine verwendete mathematischen Funktion charakteristische Eigenschaften des verwendeten Magnetkreises als Abhängigkeit einer (oder mehrerer) physikalischen Ausgangsgröße(n) von einer (oder mehrerer) physikalischen Eingangsgröße(n) beschreibt.
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Wichtige - den Magnetkreis charakterisierende - physikalische Größen sind der verkettete Fluss ψ(x, J). Ausgangsgröße ist der Verkettete Fluss ψ, Eingangsgröße ist der Ankerhub x und der Strom J. Statt des Ankerhubs x können auch andere Größen verwendet werden, die mit dem Ankerhub zusammenhängen, z.B. der Arbeitsluftspalt ALS. Statt des verketteten Flusses können auch andere Größen verwendet werden, die mit dem verketteten Fluss zusammenhängen wie z. B der magnetische Fluss Φ (Es gilt ψ ≈ N*Φ, N ist die Windungszahl).
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Weiterhin vorteilhaft ist das Verfahren, wenn mindestens ein in Schritt c) verwendetes Kennfeld und/oder mindestens eine verwendete mathematischen Funktion in einer invertierten Form verwendet wird.
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Damit ist gemeint, dass die Eingangsgrößen mit der Ausgangsgröße, bzw. Ausgangsgrößen, vertauscht werden. Als wichtige Anwendung ist das sogenannte invertierte Kennfeld des verketteten Flusses x(ψ, J) zu nennen. Ankerlage x ist Ausgangsgröße. Eingangsgrößen sind der Verkettete Fluss ψ und der Strom J. Dieses invertierte Kennfeld ist der Schlüssel zur Ermittlung der Ankerlage x als Ausgangsgröße aus den Eingangsgrößen Strom J und des verketteten Flusses ψ
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Außerdem vorteilhaft ist das Verfahren, wenn mindestens ein in Schritt c) verwendetes Kennfeld und/oder mindestens eine verwendete mathematischen Funktion die partielle Ableitungen von Kennfeldausgangsgrößen mindestens eines weiteren Kennfeldes, bzw. von Funktionsausgangsgrößen mindestens einer weiteren Funktion beinhaltet.
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Solche partiellen Ableitungen können dann jeweils einer Eingangsgröße wiederum als zusätzliches Kennfeld (als sogenanntes Gradienten-Kennfeld) zugeordnet sein. Ein wichtiges Gradienten-Kennfeld ist der Gradient des Verketteten Flusses über dem Ankerhub ∂Ψ/∂x(x,J). Dieses Gradienten-Kennfeld hängt von dem Ankerhub x und vom Strom J ab. Dieses Kennfeld dient zur Beschreibung der induzierten Spannung, die durch die Ankergeschwindigkeit verursacht wird.
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Ein weiteres wichtiges Gradienten-Kennfeld ist der Gradient des Verketteten Flusses über dem Strom ∂Ψ/∂J(x,J). Dieses Kennfeld dient zur Beschreibung der induzierten Spannung, die durch die zeitliche Stromänderung verursacht wird. Dieses Kennfeld hängt auch von der Ankerlage x und vom Strom J ab. Beide Gradientenkennfelder: sind Bestandteil des inversen Software-Magnetkreismodells.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in Schritt e) ein inverses Magnetkreismodell eines Magnetkreises des Magnetventils verwendet wird, um aus der Regelgröße eine Ansteuerungsspannung zu erzeugen.
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Ein solches inverses Magnetkreismodell ist bevorzugt als Software ausgebildet und es beinhaltet üblicherweise differenzierende Anteile, mit welchen das Zusammenwirken der Ansteuerspannung des Magnetventils U und des Spulenstrom I, sowie der aktuellen Position des Ventilankers x in inverser Form nachgebildet wird. D.h.
die Eingangsgrößen für das inverse Magnetkreismodell sind die Position des Ventilankers x und der Spulenstrom I. Die Ausgangsgröße des inversen Magnetkreismodells Ist die Ansteuerspannung U.
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Besonders vorteilhafter Weise wird das Verfahren für ein Öffnen oder Schließen des Magnetventils eingesetzt, wobei die Soll-Position in Schritt a) derart vorgegeben wird, dass eine abgebremste Annäherung an eine geöffnete Position oder eine geschlossene Position des Magnetventils erfolgt.
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Außerdem wird das Verfahren bevorzugt dazu eingesetzt, um das Magnetventil in eine Zwischenposition zwischen einer vollständig geöffneten Position und einer vollständig geschlossenen Position zu halten, wobei eine solche Zwischenposition in Schritt a) als Sollwert vorgegeben wird.
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Eine solche Vorgehensweise ist erforderlich, um ein Ventil als stetig öffnendes und schließendes Ventil betreiben zu können.
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Hier ebenfalls beschrieben wird ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Magnetventils, wobei das Steuergerät zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die im Zusammenhang mit dem Verfahren geschilderten Vorteile und bevorzugten Ausführungsmerkmale auf das Steuergerät anwendbar und übertragbar sind.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren nur schematisch sind. Einzelne Merkmale aus den Figuren und der Figurenbeschreibung können in beliebiger Weise mit anderen Merkmalen der Beschreibung und der Ansprüche kombiniert werden. Es zeigen:
- 1: ein Blockschaltbild eines Magnetventils,
- 2: einen Querschnitt durch ein Magnetventil,
- 3: den Verlauf einzelner Betriebsgrößen eines Magnetventils,
- 4: ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Magnetventils,
- 5a, 5b: zwei Ausführungsvarianten eines beschriebenen Steuergeräts,
- 6a, 6b, 6c: verschiedene Kennfelder für das beschriebene Steuergerät und oder das beschriebene Verfahren,
- 7: den Verlauf von Betriebsgrößen eines Magnetventils, welches mit dem beschriebenen Verfahren und dem beschriebenen Steuergerät angesteuert wird,
- 8: eine Ausführungsvariante eines beschriebenen Steuergerätes,
- 9: einen Ausschnitt eines Magnetventils,
- 10: ein alternatives Magnetventil für das beschriebene Verfahren,
- 11: ein elektrisches Ersatzschaltbild des Magnetventils aus 10,
- 12a, 12b: zwei Ausführungsvarianten eines beschriebenen Steuergerätes, und
- 13: ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens.
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Das Blockschaltbild in 1 zeigt vereinfacht die Wirkkette für ein Magnetventil 1. Die Spulen-Eingangsgröße, die auf den Magnetkreis 2 (umfassend die Spule) wirkt ist die elektrische Spannung U. Der Magnetkreis 2 erzeugt den Strom J als Ausgangsgröße. Durch den Strom J wird die Ankerbewegung 3 hervorgerufen, welche abhängig von der Strom-Eingangsgröße J ist. Die Ankerbewegung resultiert im Ankerhub x bzw. der Ist-Position des Ankers bzw. des Schließkörpers des Magnetventils 1. Der Anker bewegt sich mit der Geschwindigkeit v. Die Geschwindigkeit v bewirkt im Magnetkreis eine zeitabhängige Änderung des Verketteten magnetischen Flusses ψ. Dadurch wird im Magnetkreis (durch die sogenannte Bewegungsinduktion) eine Spannung induziert. (Diese Rückwirkung der Ankergeschwindigkeit auf den Magnetkreis 2 ist im Blockschaltbild in 1 durch die Rückleitung der zeitlichen Ableitung der Ankerposition (dx/dt entsprechend zur Ankergeschwindigkeit) dargestellt.) Der zeitabhängige Strom J bewirkt ebenso eine zeitabhängige Änderung des Verketteten magnetischen Flusses ψ. Dadurch wird im Magnetkreis (durch die sogenannte Strominduktion) auch eine Spannung induziert (Diese sogenannte Strom-Rückwirkung findet innerhalb des Magnetkreises 2 statt und ist im Blockschaltbild, 1 nicht extra dargestelt. Die Stromgröße J wird durch die Ansteuerspannung U, der induzierten Spannung, bedingt durch die Ankergeschwindigkeit und dem zeitlichen Stromgradienten dJ/dt sowie dem Spannungsabfall am Ohmschen Spulenwiderstand (der auch Teil des Magnetkreises 2 ist) bestimmt. Der Ankerhub x ist die Eingangsgröße für die verstellbare Drossel 4 (Kugel-Kegel-Sitz). Eine weitere Eingangsgröße für die Drossel 4 neben dem Ankerhub x und die am Ventil anliegende Druckdifferenz Δp. Diese beiden Eingangsgrößen erzeugen den Volumenstrom q durch die verstellbare Drossel 4.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein tatsächliches solches Magnetventil 1. Zu erkennen sind ein Ventilsitz, der die Ruheposition 26 bildet bzw. der der Ruheposition 26 entspricht und der Schließkörper 27. Der Schließkörper 27 ist mit dem Anker 28 fest verbunden und kann von dem Anker 28 bewegt werden. Der Anker 28 ist mit einer Feder 29 so vorgespannt, dass die Ruheposition 26 bzw. der Ventilsitz und der Schließkörper 27 aneinandergedrückt sind. Der Anker 28 kann mittels des Magnetkreises 31 bewegt werden, welcher von dem Kern 32, dem Arbeitsspalt 33 und dem Anker 28 gebildet wird.
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3 zeigt für das Magnetventil aus 1 beispielhaft in Abhängigkeit eines Spannungsverlaufs 5 den Stromverlauf 6, die Ventilbewegung 7 und den Geschwindigkeitsverlauf 8 des Ventilankers. Im Geschwindigkeitsverlauf 8 zu erkennen sind jeweils die Spitzengeschwindigkeit Vmax, die beim Öffnen und Schließen des Ventils auftreten sowie die abrupte Abbremsung der Spitzengeschwindikeit Vmax. Genau diese Abbremsung findet durch das Anschlagen des Ventilkörpers an einem Anschlag statt und verursacht das laute Geräusch.
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Ein Ziel bzw. ein mögliches Anwendungsgebiet des hier beschriebenen Verfahrens und des hier beschriebenen Steuergerätes ist es mittels einer Ankerlageregelung aus einem Schaltventil ein stetig stellbares Ventil zu machen. Hierzu muss der Ankerhub x aus gemessenen, physikalischen Größen ermittelt werden, wie weiter oben auch schon detailliert beschrieben wurde.
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4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Spule 30 eines Magnetventils 1. Die Spule 30 bzw. das Magnetventil 1 werden von einem elektrischen Widerstand 10 (Bauelement 18 in 4) und einer Induktivität 11 (Bauelement 19 in 4) gebildet. Darüber hinaus ist ein Schalter 20 dargestellt, welcher die Möglichkeit der Aktivierung und der Deaktivierung des Magnetventils im elektrischen Ersatzschaltbild darstellt, bzw auch eine getaktete Endstufe darstellen kann, die mit einer bestimmten Frequenz getaktet wird. Über das Tastverhältnis Ausschaltzeit/Einschaltzeit (bzw. Pulsweiten-Modulations-Rate =Einschaltzeit/ Periodendauer (PWM-Verhältnis)) kann die effektive Ansteuerspannung am Magnetkreis eingestellt werden.
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Das dem hier beschriebenen Steuergerät und dem hier beschriebenen Verfahren zu Grunde liegende Prinzip ist in den 5a und 5b dargestellt: 5a und 5b zeigen zwei verschiedene Ausführungsvarianten eines beschriebenen Steuergerätes 9 jeweils zusammen mit dem angesteuerten Magnetventil 1.
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Das Magnetventil 1 ist in diesen beiden Figuren jeweils als Wirkkette, analog zu 1 dargestellt. Der zweite große Block sowohl in 5a als auch in 5b zeigt ein Steuergerät 9, welches auch als ASIC (Anwender Spezifischer Integrierter Schaltkreis) bezeichnet werden kann. Dieses Steuergerät 9 steuert das Magnetventil 1 an. Die Ansteuerspannung U des Magnetkreises 2 des Magnetventils 1, sowie der Ventilstrom J werden gemessen und dem Steuergerät 9 zugeführt. Wie im Blockschaltbild dargestellt, werden aus diesen beiden Messgrößen U, J im Steuergerät 9 der Ankerhub x, bzw. die Ankerlage, berechnet. Dies geschieht auf folgende Weise: Die Messgröße Spulenstrom J wird mit dem elektrischen, Ohmschen Spulenwiderstand R multipliziert und der Ohmsche Spannungsabfall UR berechnet. Am Additionsglied wird der Ohmsche Spannungsabfall von der gemessenen Ansteuerspannung U subtrahiert. Die Differenz ist die im Magnetventil induzierte Spannung. Diese induzierte Spannung ist gleich der zeitlichen Änderung des Verketteten Flusses dψ/dt. Durch Integration erhält man den Verketteten Fluss ψ. Der Verkettete Fluss ψ, sowie die gemessene Stromgröße J sind Eingangsgrößen für das Kennfeld 12. Im Kennfeld 12 ist der Zusammenhang zwischen der Ausgangsgröße Ankerhub x und den Eingangsgrößen Verketter Fluss ψ und dem Strom J hinterlegt (wie in 6c beispielhaft dargestellt ist). Durch Interpolation mittels der Eingangsgrößen im Kennfeld 12 kann die Ausgangsgröße Ankerhub x berechnet werden. Der Ankerhub x ist die Regelgröße. D.h. der berechnete Ankerhub x wird mit Hilfe des Additionsglieds 14 von einem vorgegebenen Ankerhub-Sollwert x_soll subtrahiert. Diese Hub-Sollwert-Wert-Abweichung Δx wird einem Regler 15 in dem Steuergerät 9 zugeführt. Der Regler 15 steuert über eine Endstufe 16 die Ventilspannung U so, dass die Hub-Sollwert-Abweichung möglichst klein wird. Der Regler 15 kann z.B. ein PID-Regler sein. Es ist eine Endstufe 16 möglich, die das Magnetventil 15 entweder mit kontinuierlicher Spannung U oder alternativ mit pulsweiten-modulierter Spannung U ansteuert, wobei über das Tastverhältnis Einschaltzeit/Periodendauer die Ansteuerspannung U variiert wird.
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In einer erweiterten Ausführungsvariante des hier beschriebenen Verfahrens und des hier beschriebenen Steuergeräts kann das Regelverhalten des Lageregelkreises hinsichtlich Stabilität und des Einschwingverhaltens und der Regelabweichung verbessert werden. Diese Ausführungsvariante ist in 5b dargestellt. Es wird hier noch einmal darauf hingewiesen, dass die Ankergeschwindigkeit identisch zur Geschwindigkeit des Schließkörpers ist, weil der Anker und der Schließkörper miteinander verbunden sind. Bei der Ausführungsvariante gemäß 5b sind zusätzliche weitere Kennfelder 13 vorgesehen, welche differenzierende Anteile aufweisen. Die Ausführungsvariante 5b enthält ein inverses Software-Magnetkreismodell (Dieses ist in 5b gepunktet umrandet.) Es enthält 2 zusätzliche Kennfelder 13 mit partiellen Ableitungen des Verketteten Flusses ψ, abgeleitet nach der Größe Ankerhub x, bzw. abgeleitet nach der Stromgröße J. (Die beiden Kennfelder hängen natürlich jeweils vom Ankerhub x, sowie vom Strom J ab.) Eingangsgrößen des inversen Software-Magnetkreismodell sind der gemessene Strom J, der im Kennfeld 12 berechnete Ankerhub x und der vom Regler vorgegebene Strom JR . Der Ankerhub x wird nach der Zeit abgeleitet und mit der partiellen Ableitung des Verketteten Flusses nach dem Ankerhub x (∂ψ/∂x aus dem entsprechenden Kennfeld 13) multipliziert. Die sich ergebende Spannung Uind v repräsentiert den induzierten Spannungsanteil, der sich aus der Bewegungsinduktion des (realen) Magnetkreises, bedingt durch die Ankergeschwindigkeit v=dx/dt, ergibt. Die Spannung Uind v wird der Summationsstelle des inversen Magnetkreismodells zugeführt. In analoger Weise wird der strom- induzierte Spannungsanteil Uind J , der durch den sich zeitlich veränderlichen Strom J verursacht wird, berechnet. Es wird jedoch der vom Regler ausgegebene Strom JR nach der Zeit abgeleitet und mit der partiellen Ableitung des Verketteten Flusses nach dem Strom J (∂ψ/∂J aus dem entsprechenden Kennfeld 13) multipliziert und der Additionsstelle des inversen Magnetkreismodells zugeführt. An dieser Additionsstelle werden die folgenden 3 Spannungsanteile: bewegungsinduzierte Spannung Uind v , strom-induzierte Spannung Uind J und der Ohmsche Spannungsanteil UR= R*JR addiert. Die Summe dieser 3 Spannungsanteile ergibt die Spannung UE, die an die Endstufe ausgegeben wird. Die Endstufe stellt diese Spannung am Magnetkreis ein. Der Regler berechnet aus der Regelabweichung Δx, die sich aus der Differenz zwischen dem vorgegebenem Sollhub x_soll und der in Kennfeld 12 berechneten Ankerposition x ergibt, den Strom JR und gibt diesen an das inverse Magnetkreismodell aus. Durch das inverse Magnetkreismodell wird die Dynamik des Magnetkreises bei der Erzeugung der Ansteuerspannung U berücksichtigt. D. h. die Rückwirkung auf die Ansteuerspannung durch die Strom-Induktion, als auch die Rückwirkung durch die BewegungsInduktion, bedingt durch die Ankergeschwindigkeit v, wird berücksichtigt bei der Berechnung der Ansteuerspannung. Mit dem inversen Software Magnetkreismodell soll das Regelverhalten des Lageregelkreises bezüglich Stabilität und Regelabweichung verbessert werden im Vergleich zur Ansteuerung nach 5a.
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Durch geeignete Vorgabe eines Ankerhub-Sollwerts x_soll(t), abhängig von der Zeit t, kann auch die Ankergeschwindigkeit v=dx/dt (Ableitung des Hubes x(t) nach der Zeit t) nach Wunsch bestimmt werden Dies gilt für beide Ausführungsvarianten 5a und 5b.
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Insbesondere mit der Ausführungsvariante gemäß 5b kann beim Öffnen des Magnetventils 1 die Ankeraufschlagsgeschwindigkeit am Polkern (Anschlag) sehr stark reduziert werden, weil diese Variante ein besseres Verhalten des Lage-Regelkreises zeigt.
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Entsprechend kann mit dieser Ausführungsvariante auch beim Schließen des Magnetventils 1 die Ankeraufschlagsgeschwindigkeit an einem Anschlag im Bereich der Ruhestellung (bzw. insbesondere im Ventilsitz) reduziert werden. Mit der Verringerung der Aufschlagsgeschwindigkeit verringert sich die Ankerverzögerung (bei vorgegebener Steifigkeit der Stoßpartner, d.h. des Anschlags und des Ankers). D.h., es wird auch die Aufschlagskraft reduziert. Wegen der geringeren Aufschlagskraft wird auch das Schaltgeräusch ebenso der Verschleiß des Ventilschließelementes reduziert.
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Die Ausführungsvariante gemäß 5b basiert darauf, dass das zeitliche Verhalten des Magnetkreises eines Magnetventils sich durch eine elektrische Reihenschaltung, bestehend aus einem Ohmschen Widerstand R und einer hub- und stromabhängigen Induktivität L(x, J) beschreiben lässt. Die zeitliche Änderung des verketteten Flusses dΨ/dt ist durch die Ansteuerspannung U(t) und durch den Spannungsabfall am Ohmschen Widerstand bestimmt. Entsprechend kann der verkettete Fluss Ψ aus der Messgröße Ansteuerspannung U und dem gemessenen Spulenstrom J, der mit dem Ohmschen Widerstand R multipliziert wird und einer zeitlichen Integration bestimmt werden
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Aus dem verketten Fluss Ψ und dem Strom J wird der Ankerhub x aus dem Kennfeld 12 x(Ψ, J) durch Interpolation berechnet. Das magnetkreischarakteristische Kennfeld 12 x(Ψ, J) ist auf dem Steuergerät gespeichert.
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In 5b ist insgesamt eine verbesserte Ausführungsvariante der 5a gezeigt, in welcher in dem Steuergerät 9 zusätzlich ein inverses Magnetkreismodell 17 ergänzt ist. Das inverse Magnetkreismodell bildet den Magnetkreis 2 des Magnetventils 1 nach.
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Durch dieses inverse Magnetkreismodell 17 kann die Regelung mit dem Steuergerät 9 und dem Verfahren robuster gemacht werden. Das inverse Magnetkreismodell 17 ist bevorzugt als Programmcode im Steuergerät 9 hinterlegt. Das inverse Magnetkreismodell erhält die beiden Eingangsgrößen: den zu stellenden Strom JR (vom Reger) und die berechnete Ist-Position des Ankerhubes x und erzeugt als Ausgangsgröße die Ansteuerspannung U, die über die Endstufe dem (realen) Hardware-Magnetkreis vorgegeben wird.
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Das inverse Magnetkreismodell 17 beinhaltet bevorzugt Gradienten-Kennfelder des verketteten magnetischen Flusses ∂ψ/∂x
sowie ∂ψ/∂J in Abhängigkeit vom Ankerhub x und vom Strom J:
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Diese Kennfelder müssen zusätzlich im Steuergerät 9 gespeichert werden.
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Das inverse Magnetkreismodell gibt einen mathematisch formulierten Zusammenhang zwischen den physikalischen (zeitabhängigen) Eingangsgrößen Ankerhub x(t), Strom J(t) und der Ausgangsgröße: elektrische Ansteuerspannung U vor. Die Gleichungen des inversen Magnetkreismodells werden auf der Grundlage der elektrischen Schaltung für den Magnetkreis formuliert. Die elektrischen Eigenschaften des Magnetkreises 2 des Magnetventils ist beispielhaft in 4 gezeigt. Die elektrischen Eigenschaften des Magnetkreises 2 können mit einem elektrischen Widerstand 18, der mit einer Induktivität 19 in Serie geschaltet ist, beschrieben werden.
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6a zeigt beispielhaft ein Kennfeld des verketteten Flusses ψ/(ALS, J) in Abhängigkeit vom Arbeitsluftspalt „ALS“ und vom Strom J. Mit verkettetem Fluss ψ ist gemeint ψ ≈ N*Φ (Magnetischer Fluss im Eisenkreis: Φ, Windungszahl der Spule: N).
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6b zeigt beispielhaft ein Kennfeld des verketteten Flusses ψ(x, J) in Abhängigkeit vom Ankerhub x und vom Strom J. Wird dieses Kennfeld so invertiert, dass der verkettete Fluss ψ, sowie der Strom J die Eingangsgrößen sind und der Ankerhub x die Ausgangsgröße ist, so erhält man das Kennfeld des Ankerhubes x(ψ, J) in Abhängigkeit vom verketteten Fluss ψ und dem Strom J (siehe 6c).
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Bild 7 zeigt ein Simulationsbeispiel, in dem ein Magnetventil gemäß 5b angesteuert wird. Der Regler (hier P-Regler) steuert in Kombination mit dem inversen Software-Magnetkreismodell die Ventilspannung über eine pulsweitenmodulierte Endstufe (Taktfrequenz=5 kHz) über das variierbare Tastverhältnis TEinschaltzeit/TPeriodendauer an.
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Der Lageregelung des Ventils wurde ein zeitabhängiger Hub-Sollwert-Verlauf x_soll (t) wie folgt vorgegeben:
- 1) ansteigende Hub-Sollwert-Rampe x_soll(t), abhängig von der Zeit t
- 2) Hub x_soll wird konstant gehalten
- 3) Abfallende zeitliche Hub-Sollwert-Rampe, abhängig von der Zeit t
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Das Ergebnis dieser Ansteuerung ist, dass die Regelgröße, die Hub-Istgröße-x (22), dem vorgegebenen, zeitlichen Sollwert-Verlauf x_soll (21) folgt. Das Schaltventil, das keinen stabilen Arbeitspunkt (zwischen Magnetkraft und Federkraft) aufweist, wird mit Hilfe der Ansteuerung als Stetigventil betrieben. Das Ventil ist allerdings im Simulationsbeispiel, welches in 7 dargestellt ist, nicht durchströmt. Es wirkt keine Hydraulikkraft.
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Die zeitabhängige Hub-Sollwert-Vorgabe wird so gewählt, dass die Aufschlagsgeschwindigkeit am Anschlag, bzw. am Polkern, klein ist. Dies zeigt der Vergleich der Ankergeschwindigkeiten des lagegeregelten Ventils (7) mit der Ankeraufschlagsgeschwindigkeit des Ventils gemäß 3. Im unteren Teil der 7 ist insbesondere zu erkennen, dass die Ankergeschwindigkeiten insbesondere kurz vor dem Ende der Ankerbewegung nicht sehr hoch, sondern deutlich reduziert sind.
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8 zeigt eines weitere Ausführungsvariante des Steuergeräts 9 für das Magnetventil 1, welche einen Zustandsregler 23 Das Magnetventil 1 mit Magnetkreis 2 stellt ein System 3. Ordnung dar. Deshalb werden 3 Zustandsgrößen gewählt:
- • verketteter magnetischer Fluss ψ
- • der Ankerhub x
- • die Ankergeschwindigkeit v
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Die Ankergeschwindigkeit v erhält man durch die zeitliche Ableitung des Ankerhubes x. Durch die Realisierung einer Zustandsregelung lassen sich die Pole der Regelstrecke des Ventils vorgeben und somit ein gewünschtes Einschwingverhalten einstellen.
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Es können auch andere Zustandsgrößen gewählt werden, die abhängig sind von den Größen verketteter Fluss ψ, Ankerhub x, sowie von der Ankergeschwindigkeit v.
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Mit Hilfe der beschriebenen Lösung kann das Schaltgeräusch eines Schaltventils, sowohl für das Öffnen als auch Schließen des Ventils, durch die Ventilansteuerung vermieden werden, weil durch die Ansteuerung die Ankergeschwindigkeit hinreichend klein gewählt werden kann.
Hierdurch wird auch eine besonders signifikante Reduzierung des Schließelement-Verschleißes erreicht.
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9 zeigt ein bei aktuellen Fahrsicherheitssystemen (z.B. ESP, IPB) üblicherweise eingesetztes Magnetventil 1 als einen Ausschnitt. Der Schließkörper 27 ist hier nach Art einer Kugel gestaltet. Der Ventilsitz 26, in welchem der Schließkörper 27 schließt, ist nach Art eines Kegels gestaltet. Der Schließköper 2 ist mit dem Anker des Magnetventils 1 verbunden. Der Anker ist in dem in 9 dargestellten Ausschnitt eines Magnetventils 1 nicht mit dargestellt. Um ein solches Ventil als Stetigventil zu betreiben, muss sich der Schließkörper 27 bzw. der Anker des Magnetventils 1 beim Öffnen bzw. Schließen möglichst immer in einem stabilen Arbeitspunkt befinden. Um dies zu erreichen, müssen die Steigungen über dem Hub x folgender drei Kräfte: Magnetkraft, Federkraft und Hydraulikkraft so beschaffen sein, dass eine stabile Gleichgewichtslage entsteht. Die Hydraulikkraft beeinflusst signifikant die Stabilität des Arbeitspunktes.
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9 zeigt eine Vorwärtsströmungsrichtung 24 sowie eine entgegengesetzte Rückwärtsströmung 25 durch das Magnetventil 1.
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Nur für die Vorwärtsströmung entlang der Vorwärtsströmungsrichtung 24 kann bisher ein Magnetventil 1 in der Bauart wie in 9, bzw. Bild 3, gezeigt, als Stetigventil betrieben werden. Bei Vorwärtsströmung wirkt die Hydraulikkraft auf den Anker stabilisierend. Mit der Rückwärtsströmung kann das Ventil ohne das hier beschriebene Verfahren und das hier beschriebene Steuergerät nicht als Stetigventil arbeiten, weil die Hydraulikkraft destabilisierend auf den Anker wirkt.
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Mit der Ventilansteuerung mit dem hier beschriebenen Verfahren bzw. dem hier beschriebenen Steuergerät kann sowohl ein Magnetventil (z. B. mit Kugel-Kegel-Sitz) mit Vorwärtsströmung als auch mit Rückwärtsströmung als Stetigventil betrieben werden. Die Hydraulikkraft wird nicht zur Erzeugung eines stabilen Arbeitspunktes benötigt.
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Destabilisierende Kräfte, die auf den Anker wirken, werden durch das hier beschriebene Verfahren und durch das hier beschriebene Steuergerät ausgeregelt. Für die Lageregelung des Magnetankers ist kein zusätzlicher Lagesensor erforderlich. Die Ankerlage wird aus der Ansteuerspannung und dem Strom ermittelt.
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Im Folgenden beschreiben werden soll noch eine weitere Ausführungsvariante des beschriebenen Steuergeräts und des beschriebenen Verfahrens.
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Wie weiter oben schon beschrieben, werden für bestimmte Fahrsicherheitssysteme stromlos geschlossene Magnetventile als Schaltventil eingesetzt, bei denen beim Öffnen und Schließen regelmäßig Geräusche auftreten, die vom Aufprallen des Schließkörpers herrühren.
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Um ein solches Schaltventil als Stetigventil einzusetzen kann eine Ankerlage-Regelung verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit dem beschriebenen Steuergerät und dem beschriebenen Verfahren auch schon beschrieben ist.
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Hier wird nun vorgeschlagen, eine zusätzliche Sensorspule in das Magnetventil zu integrieren. Diese zusätzliche Sensorspule ist parallel bzw. neben der eigentlichen Spule des Magnetventils (auch Aktuatorspule genannt) angeordnet. Ein Schnitt durch ein Magnetventil mit einer solchen Sensorspule ist in 10 dargestellt. 11 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines solchen Ventils.
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Die Aktuator-Spule 30 des Magnetventils dient zum Schalten des Ankers. Die Sensorspule ist bevorzugt sehr hochohmig angeschlosssen. So kann erreicht werden, dass in der Sensorspule kein oder kein von der Stromstärke her relevanter elektrischer Strom fließt.- Es kann allerdings eine induzierte Leerlauf-Spannung u2 ind gemessen werden. Durch Integration der induzierten Spannung u2 ind erhält man den verketteten Fluss ψ2 (x, J1 ) der Sensorspule , der von dem (zu sensierenden) Ankerhub x und dem Aktuator-Spulenstrom J1 abhängt. Mit dem verkettetem Fluss ψ2 ist gemeint ψ2 ≈ N2*Φ(Magnetischer Fluss im Eisenkreis: Φ, Windungszahl der Sensor-Spule 35: N2).
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Ein elektrisches Schaltbild der Spule 30 mit der daneben bzw. parallel dazu angeordneten Sensor-Spule 35 ist in 11 dargestellt. Der linke Teil von 11 entspricht der 4. Rechts daneben ist die Sensor-Spule 35 angeordnet. Die Induktivität 19 der Sensorspule 35 ist mit einem hochohmigen Widerstand 18 in Serie geschaltet, um einen nennenswerten Stromfluss J2 durch die Sensorspule zu vermeiden.
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In den 12a und 12b sind jeweils Magnetventile 1 mit Steuergerät 9 dargestellt, die mit einer derartigen Sensorspule 35 arbeiten. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem in den 5a und 5b sowie 8 dargestellten Strukturen. Das Magnetventil 1 hat hier jedoch jeweils zusätzlich eine Sensorspule 35. Als zusätzlicher Block ist hier jeweils auch der magnetische Fluss 36 (auch mit Φ bezeichnet) eingetragen, . Dieser magnetische Fluss Φ im Eisen wird von der Aktuatorspule 30 erzeugt. Dieser, von der Zeit t abhängige, magnetische Fluss Φ(t) induziert in der Sensorspule 35 die Spannung U2 ind.
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Das Kennfeld 12 ist hier das invertierte Kennfeld x(ψ2, J1 ). Dieses Kennfeld 12 ist auf dem Steuergerät 9 gespeichert ist. Mit Hilfe dieses Kennfeldes 12 lässt sich aus den Messgrößen Aktuator-Spulenstrom J1 und der induzierten Spannung u2 ind der Sensor-Spule 2 (u2 ind wird integriert) der Ankerhub x berechnen. Innerhalb des Kennfeldes 12 wird dazu ggf. interpoliert, falls die Anzahl an hinterlegten Datenpunkten in diesem Kennfeld für eine genaue Bestimmung des Ankerhubs x nicht ausreichen.
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Der Hauptvorteil der um die Sensorspule 35 erweiterten Lösung ist, dass der über die Lehrlaufspannung u2 ind bestimmte elektrische Fluss nicht durch die Spulentemperatur verfälscht ist. Dies ist bei dem verketteten elektrischen Fluss, der gemäß der Ausführungsvarianten gemäß 5a und 5b bzw. 8, die ohne Sensorspule 35 auskommen, gegebenenfalls der Fall.
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Bei den Ausführungsvarianten gemäß 12a und 12b hat die Spulentemperatur somit keinen Einfluss auf die Genauigkeit der berechneten Ankerlage x. Die induzierte Spannung der stromlosen Sensorspule 35 wird direkt als Spannungsabfall an einem hochohmigen elektrischen Widerstand gemessen. Diese induzierte Spannung muss nicht aus der Differenz zweier Spannungen berechnet werden. Dies kann zu zusätzlichen Ungenauigkeiten führen.
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Ansonsten können mit der vorliegenden Erfindung dieselben Vorteile, bzw. Verbesserungen, hinsichtlich des Betriebsverhaltens von Schalt- und Stellventilen erreicht werden, die weiter oben schon ausführlich beschrieben werden.
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Die Ausführungsvariante gemäß 12b ist gegenüber der Ausführungsvariante gemäß 12a noch dadurch erweitert, dass der Regler 5 in einen Lage-Regler 37 und einen Stromregler 38 aufgeteilt ist. Der Lageregler erzeugt aus der Vorgabe für x xsoll einen Strom J1soll . Dieser Vorgabestrom wird von dem tatsächlichen Strom J1 subtrahiert, der an der Aktuator-Spule 1 abgegriffen wird. Die Differenz wird dann dem Stromregler 38 als Eingangsgröße übergeben. Mit Hilfe des Stroms J1 erfolgt also eine Nachregelung, die die Genauigkeit der Regelung noch weiter erhöht.
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Abschließend zeigt 13 noch ein Ablaufdiagramm des beschriebenen Verfahrens, welches mit dem beschriebenen Steuergerät ausgeführt werden kann. Zu erkennen sind die Verfahrensschritte a), b), c), d), e) und f), welche als Abfolge hintereinander ausgeführt werden.