DE102019111381A1

DE102019111381A1 - System mit magnetanordnung und verfahren zur fehlerdiagnose und -isolierung

Info

Publication number: DE102019111381A1
Application number: DE102019111381.4A
Authority: DE
Inventors: Shifang Li; Azeem Sarwar; Thomas W. Nehl
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN110514896B; CN110514896A; US10443530B1

Abstract

Eine Magnetanordnung beinhaltet einen Magneten mit einer Spule, einen Stromsensor, der zum Messen des Spulenstroms konfiguriert ist, und eine Steuerung. Die Steuerung schätzt den Spulenstrom unter Verwendung eines Magnetmodells, wobei der Ausgang des Magnetmodells ein geschätzter Spulenstrom ist, und empfängt den gemessenen Spulenstrom vom Stromsensor. Die Steuerung berechnet auch einen Fehlerwert mit einem Fehlersignal, indem sie den geschätzten Spulenstrom vom gemessenen Spulenstrom subtrahiert. Als Reaktion auf den Fehlerwert, der einen kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Steuerspannung von einem Sollwert abweicht, diagnostiziert die Steuerung einen Magnetfehlerzustand. Als Reaktion auf das Diagnostizieren des Magnetfehlerzustands isoliert oder identifiziert die Steuerung einen bestimmten Fehlerzustand aus einer Vielzahl von möglichen Magnetfehlerzuständen und zeichnet einen Diagnosecode auf, der den jeweiligen Magnetfehlerzustand anzeigt.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft die automatische Diagnose und Identifizierung oder Trennung von elektrischen Fehlerzuständen bei der Gesamtsteuerung einer Magnetanordnung. Ein Magnet ist eine elektromagnetische Schaltung, bei der eine Spule aus leitfähigem Draht um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Beim Einschalten der Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum einen Anker oder Stößel in einem Magnetkörper verschiebt. Eine Feder bringt den Stößel nach dem Unterbrechen des Magnetfeldes wieder in seine Ausgangsposition zurück. Magnetanordnungen werden in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt, wie beispielsweise beim Steuern von Ventilen oder Stellgliedern.
KURZDARSTELLUNG
Hierin wird ein System offenbart, das eine Magnetanordnung und ein steuerungsbasiertes Verfahren zum Diagnostizieren und Isolieren bestimmter elektrischer Fehler, die innerhalb der Magnetanordnung auftreten, beinhaltet. So neigen korrodierte oder lose elektrische Verbindungen dazu, den Innenwiderstand einer elektrischen Schaltung mit derartigen Verbindungen zu erhöhen und somit den durch die Schaltung fließenden elektrischen Strom zu reduzieren. Die Stromreduzierung, insbesondere in der Spule des Magneten, kann die Bewegung einer magnetgesteuerten Vorrichtung, beispielsweise eines Ventils in einer exemplarischen Ausführungsform, behindern. Ebenso führt die zyklische Belastung des Magneten zu einem vorzeitigen Verschleiß der elektrischen Isolierung an der Magnetspule. Ein derartiges Ergebnis ist weitgehend auf thermomechanische Spannungen zurückzuführen und kann schließlich zu kurzgeschlossenen Windungen oder anderen Kurzschlussbedingungen führen. Kurzgeschlossene Windungen verringern den Spulenwiderstand und die Induktivität, wobei der Spulenstrom durch die kurzgeschlossenen Windungen zirkuliert und sich wie Wirbelströme verhält, um Stromänderungen im Kern entgegenzuwirken. Dies kann zu einem Anstieg des Spulenstroms bei einer gegebenen PWM-Steuerspannung (Pulsweitenmodulation) und damit zu einer Änderung der Leistung des Magneten und der magnetgesteuerten Vorrichtung führen.
Die Steuerung ist daher durch Ausführen von computerlesbaren Anweisungen, die ein offenbartes Verfahren beinhalten, konfiguriert, um den Spulenstrom bei erregter Spule zu schätzen. Die Schätzung kann unter Verwendung eines dynamischen Modells erfolgen. Ein derartiges Modell kann einen fiktiven Wirbelstrom in einer Wirbelstromschleife des Magneten berücksichtigen, der zumindest teilweise auf einer angelegten Spulenspannung basiert. Die Steuerung berücksichtigt auch den Spulenwiderstand und den Wirbelstromschleifenwiderstand, die Wirbelstromposition, die Anzahl der Windungen in der Spule/Spulenwindungszahl, die stationäre Kerninduktivität und eine Abtastzeit der Steuerung als Teil des vorliegenden Ansatzes.
Als Teil des Verfahrens empfängt die Steuerung einen gemessenen Spulenstrom und vergleicht den gemessenen Spulenstrom mit dem geschätzten Spulenstrom. Basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs diagnostiziert und isoliert die Steuerung automatisch, d. h. identifiziert eindeutig und gibt damit eine Prognose über den wahrscheinlichen elektrischen Fehlerzustand ab. Die Steuerung leitet auch geeignete Korrekturmaßnahmen ein, einschließlich der Aufzeichnung eines Diagnosecodes, der dem diagnostizierten Fehler entspricht.
In einer bestimmten Ausführungsform beinhaltet die Magnetanordnung einen Magneten, einen Stromsensor und eine Steuerung. Der Magnet beinhaltet eine Spule. Der magnetische Fluss wird erzeugt, wenn eine Magnetsteuerspannung an die Spule angelegt wird, die bewirkt, dass ein Spulenstrom durch die Spule fließt. Der Stromsensor misst den Spulenstrom und gibt einen gemessenen Spulenstrom aus. Die Steuerung steht in Verbindung mit dem Magneten und ist konfiguriert, um den Spulenstrom unter Verwendung eines Magnetmodells zu schätzen, wobei ein geschätzter Spulenstrom eine Ausgabe des Magnetmodells ist.
Die Steuerung empfängt den gemessenen Spulenstrom und berechnet einen Fehlerwert, d. h. durch Subtraktion des geschätzten Spulenstroms vom gemessenen Spulenstrom. Als Reaktion auf den Fehlerwert, der einen kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Steuerspannung von einem Sollwert abweicht, diagnostiziert die Steuerung einen Magnetfehlerzustand. Als Reaktion auf die Diagnose des Magnetfehlerzustands isoliert die Steuerung einen bestimmten Magnetfehlerzustand aus einer Vielzahl von möglichen Magnetfehlerzuständen und zeichnet dann einen Diagnosecode auf, der den jeweiligen Magnetfehlerzustand anzeigt.
Das Magnetmodell kann ein dynamisches Modell sein, z. B. unter Verwendung des geschätzten Spulenstroms als Zustandsgröße. Ein derartiges dynamisches Modell kann die PWM-Steuerspannung als Steuereingang verwenden. Modellparameter können jeweils einen fiktiven Wirbelstrom in einer Wirbelstromschleife des Magneten, einen Widerstand der Spule, einen Widerstand der Wirbelstromschleife, eine Position des Wirbelstroms, eine Spulenumschlagszahl der Spule, eine Induktivität des Kerns im stationären Zustand und eine Abtastzeit der Steuerung beinhalten.
Die Magnetanordnung kann zur Verwendung in einem System mit einer magnetgesteuerten Vorrichtung konfiguriert werden, die von der Magnetspule gesteuert wird. In einer derartigen Ausführungsform kann die Steuerung konfiguriert werden, um den gemessenen Spulenstrom, den geschätzten Spulenstrom und die Steuerspannung über eine Vielzahl von Betriebsbedingungen des Systems zu normieren, bevor der Fehlerwert berechnet wird.
Das System kann einen Motor beinhalten, wobei der Magnet in einer derartigen Ausführungsform möglicherweise Teil einer Kraftstoffpumpe oder einer anderen Komponente des Kraftstoffeinspritzsystems für einen derartigen Motor ist. Die Betriebsbedingungen in diesem Fall können einen Bereich von Motordrehzahlen umfassen.
Die möglichen Fehlerbedingungen können einen Kurzschlussfehler in der Magnetspule bei positivem Fehlerzeichen und einen fehlerhaften elektrischen Anschluss in einem elektrischen Stromkreis, der die Magnetspule speist, wenn das Zeichen negativ ist, beinhalten.
Die Steuerung kann ferner konfiguriert werden, um auf den Fehlerwert zu reagieren, der den kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Steuerspannung nicht vom Nennwert abweicht, und einen Diagnosecode aufzuzeichnen, der einen Fehlerzustand der Strommessung anzeigt.
Hierin ist auch ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Verwendung mit einem Motor und einer Kraftstoffversorgung offenbart. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann eine Kraftstoffleitung in Fluidverbindung mit dem Motor, eine Kraftstoffpumpe und eine Magnetanordnung beinhalten. Die Magnetanordnung beinhaltet
ein Einlassventil, das in Fluidverbindung mit der Kraftstoffpumpe und der Kraftstoffversorgung steht, ein Auslassventil, das zwischen der Kraftstoffpumpe und der Kraftstoffleitung angeordnet ist, ein Magnetventil, einen Stromsensor und eine Steuerung.
Es wird auch ein Verfahren zum Diagnostizieren und Identifizieren eines Fehlerzustands in einer Magnetanordnung offenbart. Das Verfahren kann das Bestromen einer Spule eines Elektromagneten durch Anlegen einer Magnetsteuerspannung an die Spule beinhalten, sodass ein Spulenstrom durch die Spule fließt und ein Magnetfluss in Bezug auf die Spule erzeugt wird. Das Verfahren beinhaltet auch
das Messen des Spulenstroms unter Verwendung eines Stromsensors und das anschließende Schätzen des Spulenstroms über eine Steuerung unter Verwendung eines Magnetmodells. Ein Ausgang des Magnetmodells ist ein geschätzter Spulenstrom. Zusätzlich kann das Verfahren das Berechnen eines Fehlerwerts mit einem Fehlersignal durch Subtrahieren des geschätzten Spulenstroms vom gemessenen Spulenstrom vom Stromsensor beinhalten. Als Reaktion auf den Fehlerwert, der einen kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Steuerspannung von einem Nennspannungswert abweicht, beinhaltet das Verfahren das Diagnostizieren eines Magnetfehlerzustands. Als Reaktion auf die Diagnose des Magnetfehlerzustands beinhaltet das Verfahren ferner das Identifizieren eines bestimmten Magnetfehlerzustands aus einer Vielzahl von möglichen Magnetfehlerbedingungen. Anschließend wird eine Steuerungsaktion in Bezug auf die Magnetanordnung ausgeführt, einschließlich der Aufzeichnung eines Diagnosecodes, der den jeweiligen Magnetfehlerzustand anzeigt.
Die vorstehend beschriebene Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hierin offenbarten neuartigen Aspekte und Merkmale exemplarisch veranschaulichen. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Magnetanordnung mit einem Magneten und einer Steuerung, die konfiguriert ist, um ein Verfahren zum Diagnostizieren und Prognostizieren des Magneten wie hierin dargelegt auszuführen.
2 veranschaulicht die Änderung des Spulenstroms und der Motordrehzahl für Nenn- bzw. Hochleistungsschaltungen, wobei der Strom auf der vertikalen Achse und die Motordrehzahl auf der horizontalen Achse dargestellt werden.
3 veranschaulicht die Magneteinstellung und eine entsprechende Impulsbreite für Nenn- bzw. Hochleistungsschaltungen, wobei die Magneteinstellung auf der vertikalen Achse und die Impulsbreite auf der horizontalen Achse dargestellt werden.
4 ist ein schematisches Flussdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, das durch die Steuerung von 1 ausführbar ist.

Für die vorliegende Offenbarung können Modifikationen und alternative Formen in Betracht gezogen werden, wobei repräsentative Ausführungsformen exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfindungsgemäße Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen dieser Offenbarung beschränkt. Vielmehr zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abzudecken, die in den Schutzumfang der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin sich die gleichen Referenznummern auf die gleichen Komponenten beziehen, veranschaulicht 1 schematisch ein System 10 mit einer Magnetanordnung 12. Die Magnetanordnung 12 beinhaltet einen Magneten 14, eine magnetgesteuerte Vorrichtung 16 und eine Steuerung (C) 18. Die Steuerung 18 beinhaltet einen Prozessor (P) und einen Speicher (M), auf dem Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 100 gespeichert sind. Der Speicher (M) speichert steuerungsausführbare Befehlssätze, die der Prozessor (P) beim Ausführen des Verfahrens 100 zur Echtzeit-Betriebsdiagnose und -Prognose des Magneten 14 ausführt.
Wie in der nicht-einschränkenden Ausführungsform von 1 dargestellt, kann das System 10 ein Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor (E) 21 sein. Ein derartiges System 10 kann eine Kraftstoffpumpe 16P als magnetisch betätigte Vorrichtung 16 beinhalten. Eine derartige Kraftstoffpumpe 16P kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, einem Roboter oder einer mobilen Plattform oder in einem Luftfahrt-, Schiffs- oder Schienenfahrzeug mit dem Motor 21 verwendet werden. In einer derartigen Ausführungsform steuert eine Ventilanordnung die Kraftstoffzufuhr zu einer Kraftstoffleitung 32. Ein Nocken 22 kann mit dem Motor 21 gekoppelt werden, wobei die Verbindung zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen wurde, sodass er sich in Verbindung mit dem Motor 21 dreht, wobei die Drehung des Nockens 22 durch Pfeil A angezeigt wird. Ein Kolben 17 der Kraftstoffpumpe 16P fährt auf dem Nocken 22 und verschiebt sich linear als Reaktion auf die Drehung des Nockens 22, wie durch Pfeil B angezeigt, wobei die Bewegung des Kolbens 17 in Richtung des Nockens 22 einem Einlasshub entspricht und die Bewegung weg vom Nocken 22 einem Kompressionshub entspricht, wie es in der Technik anerkannt wird.
Als Teil der exemplarischen Ausführungsform des Systems 10 von 1 fördert eine Kraftstoffleitung 26 Kraftstoff bei niedrigem Druck (Pfeil F_L) aus einer Niederdruck-Kraftstoffversorgung 25 über ein Einlassventil 28zur Kraftstoffpumpe 16P, wenn der Magnet 14 bestromt wird. Der Kraftstoff wird durch den Kolben 17 innerhalb eines Zylinders 19 komprimiert und über ein Auslassventil 30 in die Kraftstoffleitung 32 als Hochdruckfluid (Pfeil F_H) und schließlich in die Zylinder 21C eines Verbrennungsmotors 21 abgegeben. Ein Überströmventil 31 auf einer Bypassleitung 20 kann selektiv Kraftstoff zwischen dem Einlassventil 28 und dem Auslassventil 30 austauschen, um den Druck als Reaktion auf Kraftstoffdrucksignale (Pfeil CC_P) auszugleichen, die der Steuerung 18 durch einen Drucksensor 34 mitgeteilt werden, z. B. angeordnet an der Kraftstoffleitung 32. Die magnetgesteuerte Vorrichtung 16 kann alternativ wie bei anderen Ventiltypen, als Stellglied eines Anlassersystems des Motors 21, z. B. zum Einrasten eines Ritzels in einen Anlasser (nicht dargestellt), oder als Teil eines anderen Linearstellglieds ausgeführt sein, und daher ist die exemplarische Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzsystems des Systems 10 veranschaulichend für die allgemeinen Konzepte und nicht einschränkend.
Unabhängig von der spezifischen Ausführungsform des Systems 10 und der darin verwendeten Magnetsteuervorrichtung 16 reagiert der Magnet 14 von 1 auf ein von der Steuerung 18 erzeugtes Magnetsteuersignal (Pfeil CCs). Das Magnetsteuersignal (Pfeil CCs) ist ein von der Steuerung 18 erzeugtes elektronisches Steuersignal, das über einen Übertragungsleiter 13, z. B. eine Niederspannungsleitung oder in einigen Ausführungsformen drahtlos übertragen wird. Das Magnetsteuersignal (Pfeil CCs) kann eine Pulsweitenmodulations-(PWM)-Spannung sein, wobei die PWM-Spannungsimpulse Breiten aufweisen, die einer vorgegebenen linearen Einstellung eines Kolbens oder Ankers des Magneten 14 entsprechen, wie sie von Fachleuten der Technik geschätzt wird.
Wie vorstehend erwähnt, kann ein Magnet wie der exemplarische Magnet 14 von 1 eine Vielzahl von möglichen Fehlern aufweisen. So kann sich beispielsweise mit der Zeit eine korrodierte oder lose elektrische Verbindung oder Kurzschlüsse einer Spule 14C des Magneten 14 entwickeln. Im nicht-einschränkenden exemplarischen System 10 von 1 können derartige Fehler dazu führen, dass die Ventile 28, 30 und/oder 31 bei Bedarf geöffnet oder geschlossen werden müssen. Dies wiederum kann zu einem abnormen Druck an der Kraftstoffleitung 32 und zu einer Beeinträchtigung der Leistung des Motors 21 führen. Andere Systeme 10 können ebenfalls unerwünschte Folgen von nicht diagnostizierten Fehlern aufweisen, wie beispielsweise unzuverlässiges Betätigen oder ein Versagen im Startmodus, je nach Art des Systems 10.
Um derartige Fehler richtig zu diagnostizieren und aus einer Vielzahl möglicher Fehlermodi zu isolieren, ist die Steuerung 18 so programmiert, dass sie das Verfahren 100 während des Betriebs des Systems 10 ausführt. Die Steuerung 18 kann als einer oder mehrere digitale Computer verkörpert sein, die jeweils einen Prozessor (P) aufweisen, z. B. einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, sowie einen Speicher (M) in Form eines Nur-Lesespeichers, eines Direktzugriffsspeichers, eines elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichers usw., eines Hochgeschwindigkeits-Taktgebers, einer Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltung, einer Ein-/Ausgabeschaltung und Vorrichtungen sowie einer geeigneten Signalaufbereitung und Pufferschaltung.
Die Steuerung 18 kann auch Algorithmen und/oder computerausführbare Anweisungen im Speicher (M) speichern, einschließlich der zugrundeliegenden Algorithmen oder des Codes, die das Verfahren 100 verkörpern. Als Teil des Verfahrens 100 kann ein Stromsensor 15 in Bezug auf die Spule 14C des Magneten 14 positioniert werden, wobei der Stromsensor 15 einen gemessenen Spulenstrom (Pfeil ic) an die Steuerung 18 meldet. Die Steuerung 18 schätzt auch den Spulenstrom unter Verwendung eines Modells 50, z. B. eines dynamischen Modells oder Zustandsmodells unter Verwendung des Spulenstroms als Zustandsgröße, wobei ein Beispiel für das Modell 50 im Folgenden ausführlich beschrieben wird.
Die 2 und 3 zeigen exemplarisch die Auswirkungen repräsentativer Fehlermodi. In 2 repräsentiert die Kurve 40 für einen nominell/sachgemäß arbeitenden Magneten 14 von 1 Datenpunkte zum Ändern des Magnetspulenstroms (ic) in Ampere (A) mit steigender Motordrehzahl (N₂₁) in Umdrehungen pro Minute (RPM). Bestimmte Fehlermodi können jedoch zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands innerhalb des Magneten 14 selbst führen, sodass der Spulenstrom (_iC) abfällt. Diese unerwünschte Auswirkung des erhöhten Widerstands wird durch die Datenpunkte der Kurve 42 dargestellt.
Gleichermaßen beinhaltet 3 die Kurven 44 und 46, die repräsentative Impulsbreiten in Millisekunden (ms) während eines PWM-Schaltsteuerungsbetriebs des Magneten 14 für einen Nenn- bzw. einen widerstandsstärkeren Magneten 14 sind. Somit wirken sich Fehler, die zu einem höheren Widerstand innerhalb des Magneten 14 führen, auf die erforderlichen PWM-Steuerungseinstellungen (ADJ, dargestellt auf der vertikalen Achse) aus und können wiederum die Bewegung der magnetgesteuerten Vorrichtung 16 von 1 verlangsamen. Die Früherkennung, Diagnose und Behebung derartiger Fehler ist daher bei der Gesamtsteuerung der magnetgesteuerten Vorrichtung 16 wünschenswert.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine exemplarische Ausführungsform des Verfahrens 100 zum Diagnostizieren und Prognostizieren des vorstehend beschriebenen und in 1 schematisch dargestellten Magneten 14 dargestellt. Das Verfahren 100 beinhaltet das Bestromen der Spule 14C des Magneten 14 durch Anlegen einer Steuerspannung, d. h. des Magnetsteuersignals (Pfeil CCs) an die Spule 14C, sodass der Spulenstrom (ic) durch die Spule 14C fließt und der Magnetfluss in Bezug auf die Spule 14C erzeugt wird.
Bei bestromter Spule 14C beginnt das Verfahren 100 bei Schritt S102, wobei die Steuerung 18 einen geschätzten Spulenstrom (i_C, _EST) unter Verwendung des Modells 50 erzeugt. So kann beispielsweise die Steuerung 18 als Modell 50 ein Übergangszustandsmodell verwenden. In einem derartigen Beispiel berücksichtigt die Steuerung 18 fiktive Wirbelströme, z. B. theoretisch mögliche, modellierte oder offline bestimmte. Dieser fiktive Wirbelstrom repräsentiert Wirbelströme, die durch feste elektrisch leitende Teile des Magneten 14 in einem zweistufigen variablen elektrischen Modell fließen. Solche Wirbelströme können in geschlossenen Kreisläufen in Ebenen senkrecht zum Magnetfeld fließen.
In einer möglichen Ausführungsform des vorstehend genannten Modells 50 kann Schritt S102 das Schätzen des Spulenstroms, i₁ nachfolgend entsprechend i_C, _EST, als Funktion des PWM-Spannungsbefehls V(k) beinhalten, sowie einer stationären Induktivität (L), Spulenwindungszahl (N), Spulenwiderstand 14C (R₁), Wirbelstromschleifenwiderstand (R₂) und Wirbelstromposition (s), d. h. einen normierten Abstand der Wirbelströme in Bezug auf die Spule 14C sowie die Abtastzeit (ΔT) der Steuerung 18. Von diesen Werten ist der Spannungsbefehl V(k), der dem Magnetsteuersignal (Pfeil CCs) von 1 entspricht, ein PWM-Spannungsbefehl, der von einer Treiberschaltung des Magneten 14 geliefert wird, z. B. zur besseren Übersichtlichkeit in der Steuerung 18 ansässig, aber möglicherweise außerhalb der Steuerung 18 angeordnet. Der Spannungsbefehl V(k) weist einen entsprechenden Spulenstrom (i₁) auf, mit den Widerständen R₁ und R₂ möglicherweise offline bestimmt und im Speicher (M) der Steuerung 18 gespeichert, z. B. in einer Nachschlagetabelle. Gleichermaßen können die Windungszahl (N), die Induktivität (L) und die Wirbelstromposition (s) offline gemessen oder modelliert und als vorgegebene Werte im Speicher (M) aufgezeichnet werden, sodass die Steuerung 18 während der Ausführung von Schritt S102 diese schnell nachschlagen kann.
Somit kann der Schritt S102 in dieser exemplarischen Ausführungsform dazu führen, dass die Steuerung 18 das folgende dynamische Modell löst: $[\begin{matrix} i_{1} (k + 1) \\ i_{2} (k + 1) \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 - L^{- 1} \frac{R_{1}}{- s^{2} + 2 s} Δ T & L^{- 1} \frac{N R_{2}}{- s^{2} + 2 s} Δ T \\ L^{- 1} \frac{N R_{1}}{- s^{2} + 2 s} Δ T & 1 - L^{- 1} \frac{N^{2} R_{2}}{- s^{4} + 4 s^{3} - 5 s^{2} + 2 s} Δ T \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} (k) \\ i_{2} (k) \end{matrix}] + [\begin{matrix} L^{- 1} \frac{1}{- s^{2} + 2 s} Δ T \\ L^{- 1} \frac{N}{- s^{2} + 2 s} Δ T \end{matrix}] v (k)$
Die Ausgabe i₁(k) der vorstehenden Beziehung kann ausgedrückt werden als: $i_{1} (k) = [\begin{matrix} 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} (k) \\ i_{2} (k) \end{matrix}]$
Das Verfahren 100 fährt nach dem Schätzen des Spulenstroms mit Schritt S104 fort.
Schritt S104 beinhaltet das Sammeln von Spulenstrommessungen und Steuersignaldaten, d. h. i_C und CCs von 1, über einen großen Bereich verschiedener Betriebsbedingungen. Wie hierin verwendet, sind die Betriebsbedingungen spezifisch für die magnetgesteuerte Vorrichtung 16 und das System 10 und können beispielsweise unterschiedliche Motor- oder andere Eingangsdrehzahlen, Betriebstemperaturen usw. beinhalten. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S106.
Bei Schritt S106 kann die Steuerung 18 die gesammelten Daten aus den Schritten S102 und S104 über die verschiedenen Betriebsbedingungen von Schritt S104 normalisieren, bevor sie mit Schritt S108 fortfährt.
Bei Schritt S108 berechnet die Steuerung 18 anschließend einen Fehlerwert (i_C,E) als Differenz zwischen dem bei Schritt S102 geschätzten Spulenstromwert und dem bei Schritt S104 gemessenen Spulenstrom, möglicherweise einmal normiert bei Schritt S106 oder direkt in anderen Ausführungsformen. Schritt S108 kann die Verwendung der Steuerung 18 zum Lösen der folgenden Gleichung beinhalten: $I_{n, e} = I_{n, m e a s} - I_{n, e s t} .$
In der vorstehenden Gleichung ist I_n,e ist der normierte Fehler und I_n,meas und I_n,est sind die normierten gemessenen und geschätzten Spulenströme. Daher kann der berechnete Fehler ein positives oder negatives Fehlersymbol aufweisen. Das Verfahren 100 fährt nach dem Berechnen des normierten Fehlerwertes durch die Steuerung 18 mit Schritt S110 fort.
Schritt S110 beinhaltet das Vergleichen des Absolutwerts des in Schritt S108 bestimmten normierten Fehlerwertes mit einem vorgegebenen Fehlerschwellenwert (CAL). Das Verfahren 100 wiederholt Schritt S102, wenn der Absolutwert des Fehlerwertes aus Schritt S108 kleiner als der vorgegebene Fehlerschwellenwert ist, und fährt mit Schritt S112 fort, wenn der absolute Fehler den Fehlerschwellenwert überschreitet.
Bei Schritt S112 bestimmt die Steuerung 18, ob das Magnetsteuersignal (Pfeil CCs von 1) von den kalibrierten nominalen Steuersignalwerten abweicht (DEV), d. h. sich im Laufe der Zeit um mehr als einen vorbestimmten Betrag ändert. Schritt S112 kann die Verwendung einer Vergleichsschaltung zum Vergleichen der entsprechenden Spannungen des Magnetsteuersignals und der kalibrierten nominalen Steuersignalwerte beinhalten. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S113 fort, wenn keine derartige Abweichung erkannt wird, und alternativ mit Schritt S114.
Schritt S113 beinhaltet das Ausführen einer ersten Steuerungsaktion (CA#1) in Bezug auf den Magneten 14 von 1 als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Schwellenwertfehler gleichzeitig und ohne Abweichung des Magnetsteuersignals (CCs) von den Nominalwerten vorhanden ist. Schritt 113 beinhaltet das Registrieren eines entsprechenden Diagnosecodes im Speicher (M) der Steuerung 18, der auf einen möglichen Logikfehler der Steuerung 18 hinweist. Dieses Ergebnis kann auf einen Strommessfehler zurückzuführen sein, weshalb der Diagnosecode eine Reparatur oder einen Austausch der Strommessgeräte oder Logikkomponenten innerhalb der Steuerung 18 erfordern kann.
Schritt S114 wird bei einem Bestimmen des Schwellenwertfehlers durch die Steuerung 18 gleichzeitig mit der Abweichung des Magnetsteuersignals (CCs) von den Nominalwerten erreicht. Als Reaktion auf diese Bedingungen bestimmt die Steuerung 18, ob das Vorzeichen des Fehlerwertes aus Schritt S108 positiv ist. Wenn ja, geht das Verfahren 100 zu Schritt S115 über. Das Verfahren 100 fährt ansonsten mit Schritt S116 fort, wenn das Zeichen nicht positiv ist.
Bei Schritt S115 führt die Steuerung 18 eine zweite Steuerungsaktion (CA#2) in Bezug auf den Magneten 14 von 1 aus, die auf das Bestimmen reagiert, dass der Schwellenwertfehler gleichzeitig mit der Abweichung des Magnetsteuersignals (CCs) von den Nominalwerten vorhanden ist. Schritt 115 beinhaltet das Registrieren eines entsprechenden Diagnosecodes im Speicher (M) der Steuerung 18, der einen möglichen Kurzschluss der Spule 14C des in 1 dargestellten Magneten 14 anzeigt. Der Diagnosecode kann eine automatische Anforderung zur Reparatur oder zum Austausch der Isolierung der Spule 14C des Magneten 14 auslösen.
Bei Schritt S116 bestimmt die Steuerung 18, ob das Zeichen des Fehlerwertes (i_c,E) aus Schritt S108 negativ (-) ist. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S119 fort, wenn der Fehlerwert negativ ist, und mit Schritt S118, wenn der Fehlerwert nicht negativ ist.
Schritt S118 beinhaltet das Ausführen einer dritten Steuerungsaktion (CA#3) in Bezug auf den Magneten 14 von 1 als Reaktion auf das Bestimmen, dass der aktuelle Fehler aus Schritt 108 ein unbekanntes Zeichen aufweist. Wie vorstehend erwähnt, werden gemessene und geschätzte Ströme (i_C,MEAS und die Signale i_C,EST) nach der Normalisierung mit Betriebsbedingungen, z. B. Motordrehzahl, verglichen, weshalb der Vergleich über ein Datenfenster erfolgt. Für jeden Betriebspunkt sind mehrere Datenpunkte vorhanden, wie aus den 2 und 3 ersichtlich. Eine unbekannte Bedingung kann eintreten, wenn Daten einen positiven Fehler anzeigen, während andere Daten einen negativen Fehler anzeigen.
Geschätzte und gemessene Spulenströme können auch direkt miteinander verglichen werden, sodass, wenn also für einen kalibrierten Zeitraum ein Fehler in einer Richtung vorliegt und auch die kalibrierte Fehlerschwelle überschreitet, ein Fehler erkannt werden kann. Somit kann der Fehler die Fehlerschwelle überschreiten, aber nicht konsequent in eine Richtung gehen, wobei ein derartiges Szenario auch hier einem unbekannten Fehler entspricht. In beiden Fällen kann die Rechenunsicherheit durch eine Fehlfunktion der Steuerung 18 in Hard- oder Software verursacht werden. Schritt 118 beinhaltet daher das Registrieren eines entsprechenden Diagnosecodes im Speicher (M) der Steuerung 18, der auf einen Fehlfunktion der Steuerung 18 hinweist. Der Diagnosecode kann eine automatische Anforderung zur Reparatur oder zum Austausch der Steuerung 18 oder von logischen Teilen derselben auslösen.
Schritt S119 beinhaltet das Ausführen einer vierten Steuerungsaktion (CA#4) in Bezug auf den Magneten 14 von 1 als Reaktion auf das Bestimmen, dass der aktuelle Fehler aus Schritt 108 negativ ist und eine Abweichung des Magnetsteuersignals (CCs) von den Nominalwerten vorliegt. Schritt 119 beinhaltet das Registrieren eines entsprechenden Diagnosecodes im Speicher (M) der Steuerung 18, der eine schlechte Verbindung zur Magnetschaltung 18 von außerhalb der Magnetschaltung 18 anzeigt, z. B. aufgrund von korrodierten oder losen elektrischen Verbindungen. Der Diagnosecode kann eine automatische Anforderung zur Reparatur oder zum Austausch einer Schaltung auslösen, die den Magneten 14 speist.
Das Verfahren 100 ermöglicht daher eine Magnetstromschätzung, z. B. aus dem vorstehend beschriebenen dynamischen Modell, zum Isolieren und Vorhersagen bestimmter elektrischer Fehler im System 10 von 1 oder anderen Systemen mit dem Magneten 14, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, variable Strömungsmagnete in Getrieben, Bremsmagneten, Türverriegelungsstellgliedern, usw. Fachleute mit normalen Fachkenntnissen im Hinblick auf die Offenbarung werden auch verstehen, dass neben oder abgesehen von den vorstehend aufgeführten Maßnahmen auch andere Steuerungsaktionen durch die Steuerung 18 ausgeführt werden können. So kann beispielsweise die Steuerung 18 in Abhängigkeit vom Zeichen und/oder der Schwere des Fehlers bei Schritt S108 in Bezug auf den Schwellenwert bei Schritt S110 und/oder der Schwere der Abweichung von Schritt S112 den Betrieb der fehlerhaften Komponente proaktiv deaktivieren, entweder unmittelbar oder nachdem sie den Bediener über eine verbleibende Zeit bis zum Ausfall informiert hat. Eine Möglichkeit zum Implementieren einer derartigen Ausführungsform besteht darin, den Bediener, basierend auf der Fehlerfortschrittsrate, darüber zu informieren, dass das System 10 nach einer bestimmten Dauer oder Anzahl von Betriebszyklen, z. B. Schlüssel-Ein/Aus-Zyklen in einer exemplarischen Fahrzeugausführungsform, deaktiviert wird. Diese und andere damit verbundene Vorteile können mit der Steuerung 18 und dem vorstehend beschriebenen Verfahren 100 aktiviert werden.
Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Arten ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren ausschließlich durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims

Magnetanordnung, umfassend: einen Magneten mit einer Spule; einen Stromsensor, der konfiguriert ist, um einen gemessenen Spulenstrom auszugeben, wenn eine Magnetsteuerspannung an die Spule angelegt wird; und eine Steuerung, die mit dem Motor in Verbindung steht und konfiguriert ist zum: Verwenden eines Magnetmodells zum Erzeugen eines geschätzten Spulenstroms; Empfangen des gemessenen Spulenstroms vom Stromsensor; Berechnen eines Fehlerwerts durch Subtrahieren des geschätzten Spulenstroms vom gemessenen Spulenstrom, wobei der Fehlerwert ein Fehlerzeichen aufweist; als Reaktion auf den Fehlerwert, der einen kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Magnetsteuerspannung von einem Nennspannungswert abweicht, Diagnostizieren eines Magnetfehlerzustands; als Reaktion auf die Diagnose des Magnetfehlerzustands, Identifizieren eines bestimmten Magnetfehlerzustands aus einer Vielzahl von möglichen Magnetfehlerzuständen; und Ausführen einer Steuerungsaktion in Bezug auf die Magnetanordnung, einschließlich des Aufzeichnens eines Diagnosecodes, der den jeweiligen Magnetfehlerzustand anzeigt.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, worin das Magnetmodell ein dynamisches Modell ist.
Magnetanordnung nach Anspruch 2, worin das dynamische Modell die Steuerspannung als Modelleingang und als Modellparameter jeweils einen fiktiven Wirbelstrom in einer Wirbelstromschleife des Magneten, einen Widerstand der Spule, einen Widerstand der Wirbelstromschleife, eine Position des Wirbelstroms, eine Spulenwindungszahl, eine Induktivität des Kerns im stationären Zustand und eine Abtastzeit der Steuerung verwendet.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, worin die Magnetanordnung zur Verwendung in einem System mit einer magnetisch gesteuerten Vorrichtung konfiguriert ist, die durch die Magnetspule gesteuert wird, und worin die Steuerung konfiguriert ist, um den gemessenen Spulenstrom, den geschätzten Strom und die Steuerspannung über eine Vielzahl von Betriebsbedingungen des Systems zu normieren, bevor der Fehlerwert berechnet wird.
Magnetanordnung nach Anspruch 4, worin das System einen Motor beinhaltet, wobei der Magnet Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems für den Motor ist und die Vielzahl von Betriebsbedingungen einen Bereich von Motordrehzahlen des Motors beinhaltet.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl der möglichen Magnetfehlerzustände einen Kurzschlussfehler beinhaltet, wenn das Fehlerzeichen positiv ist, und eine fehlerhafte elektrische Verbindung eines elektrischen Schaltkreises, der das Magnetventil speist, wenn das Zeichen negativ ist.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, worin die Steuerung ferner konfiguriert ist, als Reaktion auf den Fehlerwert, der den kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Magnetsteuerspannung nicht vom Nominalwert abweicht, Aufzeichnen eines Diagnosecodes, der einen Fehlerzustand bei der Strommessung anzeigt.
Verfahren zum Diagnostizieren und Identifizieren eines Fehlerzustands in einer Magnetanordnung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestromen einer Spule eines Elektromagneten durch Anlegen einer Magnetsteuerspannung an die Spule, sodass ein Spulenstrom durch die Spule fließt und ein Magnetfluss in Bezug auf die Spule erzeugt wird; Messen des Spulenstroms unter Verwendung eines Stromsensors zum Erzeugen eines gemessenen Spulenstroms; Schätzen des Spulenstroms über eine Steuerung unter Verwendung eines Magnetmodells, worin ein Ausgang des Magnetmodells ein geschätzter Spulenstrom ist; Berechnen eines Fehlerwerts durch Subtrahieren des geschätzten Spulenstroms vom gemessenen Spulenstrom vom Stromsensor, wobei der Fehlerwert ein Fehlerzeichen aufweist; als Reaktion auf den Fehlerwert, der einen kalibrierten Fehlerschwellenwert überschreitet, während die Steuerspannung von einem Nennspannungswert abweicht, Diagnostizieren eines Magnetfehlerzustands; als Reaktion auf die Diagnose des Magnetfehlerzustands, Identifizieren eines bestimmten Magnetfehlerzustands aus einer Vielzahl von möglichen Magnetfehlerzuständen über die Steuerung; und Ausführen einer Steuerungsaktion in Bezug auf die Magnetanordnung, einschließlich des Aufzeichnens eines Diagnosecodes, der den jeweiligen Magnetfehlerzustand anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Schätzen des Spulenstroms über die Steuerung unter Verwendung eines Magnetmodells die Verwendung eines dynamischen Modells beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend die Verwendung der Steuerspannung als Eingang zum dynamischen Modell und die Verwendung als Modellparameter jeweils eines fiktiven Wirbelstroms in einer Wirbelstromschleife des Magneten, eines Widerstands der Spule, eines Widerstands der Wirbelstromschleife, einer Position des Wirbelstroms, einer Spulenwindungszahl, einer Induktivität des Kerns im stationären Zustand und einer Abtastzeit der Steuerung.