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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Position einer Komponente eines Systems. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln einer Position einer Exzenterwelle einer variablen Ventilsteuervorrichtung einer Brennkraftmaschine.
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Komponenten von Systemen müssen oft auf eine Sollposition geregelt werden. Dabei wird eine Regelgröße (Istwert) gemessen und mit der gewählten Führungsgröße (Sollwert) kontinuierlich verglichen. Wenn die Regelgröße mit der Führungsgröße nicht übereinstimmt, wird deren Differenz bestimmt und einem Regler zugeführt. Aus dieser Differenz, die als Regelabweichung bezeichnet wird, und den vorgegebenen Regelparametern bestimmt der Regler eine Stellgröße. Diese wirkt über die Regelstrecke (Komponente) so auf die Regelgröße ein, dass die Regelabweichung trotz vorhandener Störgrößen minimiert wird und die Regelgröße je nach gewählten Gütekriterien ein gewünschtes Zeitverhalten annimmt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Regeln einer Position einer Komponente eines Systems, insbesondere einer Exzenterwelle einer variablen Ventilsteuervorrichtung einer Brennkraftmaschine, vorzuschlagen, das eine zeit-, energie- und verschleißeffiziente Regelung der Komponente ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Regeln einer Position einer Komponente eines Systems, welches eine Stellvorrichtung zum Einstellen der Position der Komponente aufweist, mittels einer Regelvorrichtung gemäß Anspruch 1 erzielt.
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Die Komponente ist Teil des Systems und wird durch die Stellvorrichtung positionsmäßig eingestellt. Zwischen der Stellvorrichtung und der Komponente kann ein Getriebe vorgesehen sein.
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Während des Betriebs des Systems kann eine Störgröße auftreten, die die Komponente von Ihrer Ausgangposition zu einer neuen Position zwingt. Wenn die Abweichung der neuen Position der Komponente von ihrer Ausgangsposition nicht innerhalb einer vordefinierten Toleranz liegt, wird eine Regelung der Position der Komponente mittels einer Regelvorrichtung vorgenommen. Dabei wird die Komponente in ihre Ausgangsposition zurückgebracht, um eine weitere reibungslose Funktion des Systems zu gewährleisten. Dabei entspricht die Ausgangsposition insbesondere einer erwünschten Position der Komponente und wird als Sollposition bezeichnet, die durch einen Sollwert ausgedrückt wird. In diesem Sinne entspricht ferner die neue Position insbesondere einer vorläufigen Position der Komponente und wird als Istposition bezeichnet, die durch einen Istwert ausgedrückt wird.
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Während des Betriebs des Systems ist es auch möglich, dass eine neue Sollposition der Komponente angefordert wird. Dies bedeutet, dass die Komponente auf eine neue Sollposition gebracht werden muss. Diese Situation wird als Sollwertsprung bezeichnet, da die neue Sollposition durch einen neuen Sollwert ausgedrückt wird. So kann beispielsweise im Betrieb einer variablen Ventilsteuervorrichtung mit einer Exzenterwelle, deren Position Einfluss auf den Hub eines Ventils hat, ein unterschiedlicher Hub des Ventils und somit eine unterschiedliche Sollposition der Exzenterwelle angefordert werden.
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In einem solchen Fall wird die Stellvorrichtung angetrieben, um die Komponente auf die neue Sollposition zu bringen. Jedoch weicht meistens die erzielte Position der Komponente von der neuen Sollposition ab. Wenn die Abweichung innerhalb der vordefinierten Toleranz liegt, wird die erzielte Position der Komponente aufrechterhalten. Dies bedeutet, dass keine weitere Regelung der Position der Komponente stattfindet, wenn die Komponente die neue Sollposition mit einer erlaubten Abweichung erreicht hat. Da allerdings die Position der Komponente nicht zwangsläufig der genauen neuen Sollposition entspricht und somit sich die Komponente näher zu einer Toleranzgrenze der vordefinierten Toleranz befinden kann, ist es möglich, dass eine erneut auftretende Störgröße die Komponente aus dem Toleranzbereich entfernt.
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Dabei kann die Störgröße insbesondere auf die Komponente und/oder die Stellvorrichtung wirken. Die Störgröße kann ihren Ursprung insbesondere in der Eigenstabilität des Systems, besonders in der Eigenstabilität der Stellvorrichtung, haben.
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Beispielsweise kann die Stellvorrichtung ein elektrischer Stellmotor sein. In diesem Fall können entstehende Rastmomente im elektrischen Stellmotor die Störgröße bilden. Ein Rastmoment ist ein Effekt bei permanenterregten Elektromotoren, welcher durch eine Änderung eines Luftspalts beim Wechsel von Ankerzahn auf Ankernut gegenüber den Permanentmagneten auftritt.
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Insbesondere wenn die Störgröße der Art ist, dass diese bei jeder neuen Positionseinstellung der Komponente auftritt, beispielsweise wenn die Störgröße durch eine Eigenstabilität des Systems und/oder der Stellvorrichtung verursacht wird, kann eine kontinuierliche Regelung der Position der Komponente auf die ursprüngliche Position erforderlich sein.
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Eine solche fortlaufende Regelung ist allerdings unerwünscht, da dies zu einem erhöhten Strombedarf und einer erhöhten mechanischen Belastung der Stellvorrichtung und der Komponente führt. Ferner wird die Funktion des Systems beeinträchtigt.
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Insbesondere bei einer variablen Ventilsteuervorrichtung, bei der ein elektrischer Stellmotor zum Einstellen einer Exzenterwelle vorgesehen ist, kann sich ein durch die Rastmomente des elektrischen Stellmotors verursachtes Nachregeln der Position der Komponente bis zur Anforderung eines neuen Sollwertes oder oder einem Abschalten der Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine wiederholen. Dies führt aber zum Anlagewechsel in den Getriebeflanken eines Getriebes, welches zum Übertragen des Drehmoments des Stellmotors auf die Exzenterwelle vorgesehen ist. Dies hat ein störendes Klackergeräusch zur Folge. Die verursachten Geräusche entstehen besonders vor einem Start oder einem Abstellen der Brennkraftmaschine und werden vom Fahrer meistens als ein Indikator einer defekten Brennkraftmaschine empfunden.
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Im Hinblick darauf wird beim vorgeschlagenen Verfahren eine Toleranz einer Regelabweichung der Regelvorrichtung abhängig von einer Größe eines Sollwertsprunges der Position der Komponente von einer Ausgangsposition auf eine Sollposition gewählt, so dass die Toleranz im Vergleich zu einer vordefinierten Toleranz reduziert wird, wenn der Sollwertsprung größer als eine vorbestimmte Schwelle ist. Die reduzierte Toleranz wird bei der Positionsregelung der Komponente auf die Sollposition benutzt.
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Im Rahmen der Erfindung ist bei der „Regelabweichung“ und der „Toleranz“ jeweils ein absoluter Betrag gemeint.
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Die Formulierung „Toleranz einer Regelabweichung“ bedeutet, dass eine Regelabweichung, d.h. eine Differenz zwischen einem Sollwert und einem Istwert der Position der Komponente, akzeptiert wird, wenn diese kleiner oder gleich der Toleranz ist. Wenn die Regelabweichung akzeptiert wird, ist keine weitere Regelung der Position der Komponente nötig. Beispielsweise wird eine Regelabweichung von einem halben Grad akzeptiert, wenn die Toleranz einen Grad beträgt.
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Eine Toleranz einer Regelabweichung entspricht insbesondere einem Toleranzbereich einer Position der Komponente, innerhalb dem die Position der Komponente liegen muss, um akzeptiert zu werden.
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Mit anderen Worten wird beim vorgeschlagenen Verfahren die Komponente bei einem großen Sollwertsprung in vorteilhafter Weise gezwungen, näher zum neuen Sollwert gebracht zu werden. Dies hat den Vorteil, dass es möglich ist, dass bei einem nachfolgenden Auftreten einer Störgröße kein Nachregeln nötig ist, da es möglich ist, dass aufgrund der näheren Position der Komponente die Störgröße nicht ausreicht, um die Komponente aus einem Toleranzbereich rauszubringen, der bei einer Regelung aufgrund einer Störgröße benutzt wird.
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Durch die Vermeidung eines Nachregelns bzw. eines kontinuierlichen Nachregelns bei einer kontinuierlichen Störgröße (beispielsweise ein inhärentes Eigenstabilitätsproblem des Systems) können auch anderenfalls daraus resultierende Geräusche vermieden werden. Ferner werden ein Strombedarf sowie eine Wärmebelastung der Stellvorrichtung reduziert. Außerdem wird auch eine mechanische Belastung der zu regelnden Komponente und der damit im Zusammenhang stehenden Bauteile des Systems reduziert, wodurch sich die Lebensdauer des Systems erhöht.
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Die vordefinierte Toleranz entspricht insbesondere einer Toleranz einer Regelabweichung, die zum Regeln der Position der Komponente benutzt wird, wenn eine Störgröße auf die Stellvorrichtung und/oder die Komponente wirkt. In diesem Fall wird vorzugsweise beim vorgeschlagenen Verfahren eine kleinere Toleranz einer Regelabweichung im Falle einer Regelung aufgrund eines Sollwertsprunges als die vordefinierte Toleranz einer Regelabweichung im Falle einer Regelung aufgrund einer auf die Stellvorrichtung und/oder die Komponente wirkenden Störgröße eingestellt bzw. benutzt. Insbesondere ist das System eine variable Ventilsteuervorrichtung einer Brennkraftmaschine. Dabei entsprechen vorzugsweise die Komponente einer Exzenterwelle und/oder die Stellvorrichtung einem elektrischen Stellmotor.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Toleranz mit steigender Größe des Sollwertsprunges reduziert. Insbesondere kann eine lineare Abhängigkeit zwischen der Toleranz und der Größe des Sollwertsprunges vorliegen.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Toleranz stufenweise reduziert. Dies bedeutet, dass innerhalb eines vordefinierten Wertebereiches der Größe des Sollwertsprunges (oberhalb der vorbestimmten Schwelle) die Toleranz konstant bleibt. Es ist insbesondere möglich, dass für alle Sollwertsprünge, die größer als die vorbestimmte Schwelle sind, eine konstante reduzierte Toleranz benutzt wird.
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Eine Abhängigkeit der Toleranz von der Größe des Sollwertsprunges und/oder die vordefinierte Toleranz sind vorzugsweise in der Regelvorrichtung, insbesondere in einem Speicher der Regelvorrichtung, gespeichert.
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Wenn der Sollwertsprung kleiner oder gleich der vorbestimmten Schwelle ist, wird bevorzugt die vordefinierte Toleranz der Regelabweichung aufrechterhalten. Mit anderen Worten erfolgt vorzugsweise bei einem Sollwertsprung, der kleiner oder gleich der vorbestimmten Schwelle ist, keine Reduzierung der Toleranz im Vergleich zur vorbestimmten Toleranz. Somit führt nicht jede kleinste Sollwertänderung zum Nachregeln der Komponente.
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Vorzugsweise wird bei einem Nachregeln der Position der Komponente die vordefinierte Toleranz der Regelabweichung benutzt, wenn sich die Komponente in der Sollposition befindet. Mit anderen Worten wird vorzugsweise die vordefinierte Toleranz benutzt, wenn die Position der Komponente nach dem Erreichen der (neuen) Sollposition nach einem Sollwertsprung nachgeregelt werden muss. Dies kann vorkommen, wenn eine Störgröße auf die Stellvorrichtung und/oder die Komponente wirkt. Insbesondere ist bei einer variablen Ventilsteuervorrichtung das der Fall, wenn eine Position einer Exzenterwelle der variablen Ventilsteuervorrichtung durch die Rastmomente des Stellmotors durch ein Zurückdrehen um maximal eine Hälfte einer Raste aus dem Toleranzbereich herausfällt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Komponente eingerichtet, eine Drehbewegung auszuführen. Dabei wird die Position der Komponente mittels eines Winkels in Bezug auf eine Nullposition definiert, wobei die vorbestimmte Schwelle 5 Grad, bevorzugt 10 Grad, bevorzugt 20 Grad, besonders bevorzugt 30 Grad, beträgt. Bei einer variablen Ventilsteuervorrichtung ist die Exzenterwelle eingerichtet, eine Drehbewegung auszuführen. Bei anderen Systemen kann die Komponente als Drehwelle ausgebildet sein.
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Bevorzugt wird die Toleranz auf einen Wert reduziert, der mindestens um 10%, bevorzugt um 20%, besonders bevorzugt um 30%, kleiner als die vordefinierte Toleranz ist. Besonders bevorzugt wird die Toleranz auf die Hälfte oder ein Drittel der vordefinierten Toleranz reduziert. Wenn die vordefinierte Toleranz 1 Grad beträgt, wird vorzugsweise die Toleranz auf 1/2 Grad oder 1/3 Grad reduziert.
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Die Regelvorrichtung ist vorzugsweise ein P-Regler.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Regelvorrichtung, die einen Prozessor umfasst, der konfiguriert ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Es zeigen:
- 1 eine variable Ventilsteuervorrichtung, bei der das Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung angewandt wird, und
- 2 einen Regelkreis des Verfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Verfahren zum Regeln einer Position einer Exzenterwelle einer variablen Ventilsteuervorrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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1 zeigt die variable Ventilsteuervorrichtung 1 (System) einer Brennkraftmaschine 100. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst ferner mindestens ein Ventil 101, welches insbesondere als Einlassventil ausgebildet ist. Das Ventil 101 kann aber auch als Auslassventil ausgebildet sein.
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Die Ventilsteuervorrichtung 1 umfasst vorzugsweise einen elektrischen Stellmotor (Stellvorrichtung) 10, eine Exzenterwelle (Komponente) 11, einen ersten Hebel 12, einen zweiten Hebel 14, eine Nockenwelle 13 und eine Messvorrichtung 16.
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Zwischen dem Stellmotor 10 ist insbesondere ein Getriebe 15 vorgesehen, über das eine Drehbewegung bzw. ein Drehmoment des Stellmotors 10 auf die Exzenterwelle 11 übertragen wird.
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Der erste Hebel 12 wird insbesondere als Zwischenhebel bezeichnet, da dieser zwischen dem zweiten Hebel 14 und der Nockenwelle 13 platziert ist. Der zweite Hebel 14 ist insbesondere als Rollenschlepphebel ausgebildet.
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Die Messvorrichtung 16 ist eingerichtet, eine Position der Exzenterwelle 11 zu messen. Die Messvorrichtung 16 ist insbesondere eingerichtet, einen Winkel der Exzenterwelle 11 in Bezug auf eine Nullposition zu messen.
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Über den zweiten Hebel 14 wird eine Drehung der Nockenwelle 13 auf das Ventil 101 übertragen.
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Wenn der Fahrer auf das Gaspedal drückt, wird die Exzenterwelle 11 in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals über den Stellmotor 10 verdreht. So ändert sich die Position der Exzenterwelle 11, je nachdem wie stark der Fahrer auf das Gaspedal drückt. So ändert sich wiederum aufgrund der geänderten Position der Exzenterwelle 11 auch die Kinematik zwischen der Exzenterwelle 11, dem ersten Hebel 12, der Nockenwelle 13 und dem zweiten Hebel 14.
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Durch die Einstellung der Position der Exzenterwelle 11 wird bei der variablen Ventilsteuervorrichtung 1 ein vollvariabler Ventilhub des Ventils 101 ermöglicht. Dies führt in diesem Fall wiederum zu einer Einstellmöglichkeit der Einlassmenge der Luft, die in einen Zylinder 102 der Brennkraftmaschine 100 strömt.
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Um eine möglichst genaue Einstellung der Einlassmenge der Luft zu schaffen, wird vorteilhafterweise die Position der Exzenterwelle 11 mittels einer Regelvorrichtung 2 geregelt.
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Dies wird anhand von 2 näher erläutert.
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2 zeigt einen Regelkreis für die Exzenterwelle 11 der variablen Ventilsteuervorrichtung 1.
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In diesem Regelkreis wird ein Istwert 50 der Position bzw. des Winkels der Exzenterwelle 11 mittels der Messvorrichtung 16 gemessen. Die Messvorrichtung 16 gibt den Istwert 50 als ein Signal 51 aus, welches mit einem Sollwert 52 der Position bzw. des Winkels der Exzenterwelle 11 verglichen wird. Daraus wird eine Regelabweichung 53 der Regelvorrichtung 2 als Differenz zwischen dem Istwert 50 und dem Sollwert 52 berechnet und der Regelvorrichtung 2 zugeführt. Die Regelvorrichtung 2 bildet darauf basierend entsprechend dem gewünschten Zeitverhalten (Dynamik) des Regelkreises eine erste Stellgröße 54, die dem Stellmotor 10 zugeführt wird. Daraus wird eine durch den Stellmotor 10 bereitgestellte zweite Stellgröße 55 der Exzenterwelle 11 zugeführt, so dass die Exzenterwelle 11 unter Einfluss einer Störgröße 56 auf den Sollwert 52 geregelt wird. Die Störgröße 56 kann dabei auf den Stellmotor 10 und/oder die Exzenterwelle 11 wirken.
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Wenn ein neuer Sollwert 52 erwünscht ist, d.h. bei einem Sollwertsprung, wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren eine Toleranz einer Regelabweichung der Regelvorrichtung 2 abhängig von einer Größe des erwünschten Sollwertsprunges der Position der Exzenterwelle 11 von einer Ausgangsposition auf eine Sollposition gewählt. Insbesondere wenn der Sollwertsprung größer als eine vorbestimmte Schwelle ist, wird die Toleranz im Vergleich zu einer vordefinierten Toleranz reduziert. Die Ausgangsposition entspricht insbesondere einem ersten Sollwert, auf den die Komponente bis zu dem Zeitpunkt geregelt wird, in dem ein neuer Sollwert (zweiter Sollwert) erfordert wird.
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Dabei kann die Toleranz mit steigender Größe des Sollwertsprunges reduziert werden. Insbesondere kann eine lineare Abhängigkeit zwischen der Toleranz und der Größe des Sollwertsprunges vorliegen. Alternativ kann die Toleranz auch stufenweise reduziert werden.
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Die reduzierte Toleranz wird im Falle eines Sollwertsprungs bei der Positionsregelung der Komponente auf die Sollposition benutzt.
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Die vordefinierte Toleranz entspricht insbesondere einer Toleranz, die zum Regeln der Position der Exzenterwelle 11 benutzt wird, wenn eine Störgröße 56 auf den Stellmotor 10 und/oder die Exzenterwelle 11 wirkt.
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Insbesondere beträgt die vorbestimmte Schwelle 5 Grad, bevorzugt 10 Grad, bevorzugt 20 Grad, besonders bevorzugt 30 Grad. Es sei angemerkt, dass die Schwelle einen Unterschied zwischen einem zum Zeitpunkt der Regelung geltenden Sollwert und einem neuen Sollwert andeutet. Insofern spielt die Nullposition, von der eine Position der Exzenterwelle gemessen wird, keine Rolle.
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Bevorzugt wird die Toleranz auf einen Wert reduziert, der mindestens um 10%, bevorzugt um 20%, besonders bevorzugt um 30%, kleiner als die vordefinierte Toleranz ist. Besonders bevorzugt wird die Toleranz auf die Hälfte oder ein Drittel der vordefinierten Toleranz reduziert.
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Wenn beispielsweise die vordefinierte Toleranz 1 Grad beträgt, kann dann die Toleranz bei einem Sollwertsprung, der größer als die vorbestimmte Schwelle ist, zum Beispiel auf 1/2 Grad oder 1/3 Grad reduziert werden.
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Wenn der Sollwertsprung kleiner oder gleich der vorbestimmten Schwelle ist, wird bevorzugt die vordefinierte Toleranz der Regelabweichung aufrechterhalten.
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Wenn ein Nachregeln der Position der Exzenterwelle 11 aufgrund einer erscheinenden Störgröße 56 nötig ist, nachdem sich die Exzenterwelle in der neuen Sollposition nach einer Regelung aufgrund des Sollwertsprunges befindet, wird die vordefinierte Toleranz der Regelabweichung benutzt.
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Zum Ausführen des zuvor beschriebenen Regelungsverfahrens umfasst die Regelvorrichtung 2 einen Prozessor 20. Insbesondere wird dazu ein Computerprogramm durch den Prozessor 20 ausgeführt. Das Computerprogramm umfasst in diesem Zusammenhang Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch den Prozessor 20 diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Regelungsverfahren auszuführen.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird eine effiziente Regelung der Position einer Komponente eines Systems erzielt, insbesondere wenn das System nicht eigenstabil ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System / variable Ventilsteuervorrichtung
- 2
- Regelvorrichtung
- 10
- Stellvorrichtung / elektrischer Stellmotor
- 11
- Komponente / Exzenterwelle
- 12
- erster Hebel
- 13
- Nockenwelle
- 14
- zweiter Hebel
- 15
- Getriebe
- 16
- Messvorrichtung
- 20
- Prozessor
- 50
- Istwert
- 51
- Signal
- 52
- Sollwert
- 53
- Regelabweichung
- 54
- erste Stellgröße
- 55
- zweite Stellgröße
- 56
- Störgröße
- 100
- Brennkraftmaschine
- 101
- Ventil
- 102
- Zylinder
