DE102021204408A1

DE102021204408A1 - Verfahren zum Erkennen eines Beginns eines Ankerhubs eines elektromagnetischen Aktors und elektromechanisches System

Info

Publication number: DE102021204408A1
Application number: DE102021204408.5A
Authority: DE
Inventors: Thilo Klingel; Boris Krastev
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2022-11-03
Also published as: CN115288830A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Ankerhubs eines elektromagnetischen Aktors mit einer Spule und einem darin durch Anlegen einer Spannung (U) an die Spule (221) beweglichen Anker, wobei während einer Bestromung der Spule ein Stromverlauf (VMod) gemessen wird, wozu zu mehreren Zeitpunkten jeweils ein aktueller Wert des Stroms in der Spule gemessen wird, wobei weiterhin ein Stromverlauf (VMod) während der Bestromung der Spule Zeitpunkt für Zeitpunkt (t0, t1, t2) modelliert wird, indem ein modellierter Wert des Stroms zu einem Zeitpunkt jeweils aus einem modellierten Wert des Stroms zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und einer zeitlichen Ableitung (di/dt) des gemessenen Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt wird, und wobei anhand eines Unterschieds zwischen dem modellierten (VMod) und dem gemessenen Stromverlauf (VMess) auf einen Zeitpunkt (tBMP) des Beginns des Ankerhubs geschlossen wird, sowie ein Fluid-Versorgungssystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Beginns eines Ankerhubs eines elektromagnetischen Aktors, der z.B. für eine Pumpe verwendet wird, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein elektromechanisches System.
Hintergrund der Erfindung
Elektromechanische Systeme mit elektromagnetischen Aktoren kommen in vielfältigen Ausprägungen vor, z.B. als bzw. mit elektrischen Pumpen. Beispielsweise bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NO_x) das sog. SCR-Verfahren (engl.: Selective Catalytic Reduction) zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Reduktionsmittellösung in das typischerweise sauerstoffreiche Abgas eingeführt. Hierfür kann ein Dosierventil verwendet werden, das eine Düse umfasst, um die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom einzusprühen. Stromaufwärts eines SCR-Katalysators reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welcher sich anschließend am SCR-Katalysator mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen.
Das Dosierventil ist typischerweise über eine Druckleitung mit einer Fördereinheit verbunden. Eine Pumpe bzw. Förderpumpe der Fördereinheit pumpt die Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Reduktionsmitteltank zum Dosierventil bzw. zu einem Dosiermodul.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Beginns eines Ankerhubs eines elektromagnetischen Aktors, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung sowie ein elektromechanisches System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einem elektromagnetischen Aktor mit einer Spule und einem darin durch Anlegen einer Spannung an die Spule beweglichen Anker. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Anker gegen eine Federkraft bewegt werden muss. Durch das Anlegen der Spannung an die Spule wird diese bestromt; der Strom steigt dabei an. Grundsätzlich würde der Anstieg des Stroms einem beschränkten Wachstumsverlauf folgen und eine Sättigung erreichen. Ab einem bestimmen Punkt beginnt der Anker sich jedoch zu bewegen - z.B. dann, wenn die durch die Spule erzeugte Magnetkraft größer als die Federkraft ist. Dieser Punkt wir auch als „Begin of Movement Point“, BMP, bezeichnet. Dadurch wird eine Gegeninduktion erzeugt, der Anstieg des Stroms wird gebremst bzw. verlangsamt; mit zunehmender Geschwindigkeit des Ankers nimmt der Strom ggf. sogar wieder ab. Danach erreicht der Anker einen Endanschlag (dieser Punkt wird auch „Mechanical Stop Point“, MSP, genannt) und der Strom steigt wieder mit beschränktem exponentiellem Wachstumsverhalten an. Danach wird die Spannung abgeschaltet.
Die beiden Punkte, BMP und MSP, sind typischerweise wichtige Parameter für verschiedenen Funktionen oder Software-Funktionen zum Betrieb des elektromagnetischen Aktors. Beispielsweise bei einer Pumpe dienen diese für eine Regelung der Bestromungszeit, einer Erkennung von Luftblasen oder eingefrorenem Fluid, einer Abschätzung des Drucks im System und/oder einer On-Board-Diagnose der Funktionsfähigkeit der Pumpe.
Grundsätzlich basiert die Bestimmung des Punktes bzw. Zeitpunktes des Beginns der Ankerbewegung bzw. des Ankerhubs auf einem zeitlichen Verlauf des Stroms in der Spule sowie einer (ggf. gemittelten) Spannung die daran anliegt. Während der Bestromungszeit kann hierzu z.B. mit einem Mess-Shunt auf dem Leistungstransistor der elektrische Strom gemessen und im Speicher einer ausführenden Recheneinheit bzw. eines Steuergeräts in einem Array abgelegt werden. Eine typische Abtastrate sind z.B. 100 µs.
Eine Möglichkeit, den Beginn des Ankerhubs (bzw. BMP) zu erkennen bzw. zu bestimmen, ist durch Verwendung eines Algorithmus, bei dem die Induktivität L im relevanten Stromkreis aus Messdaten bestimmt wird, beispielsweise gemäß: $L = \frac{U - R \cdot i}{d i / d t} .$
Dabei sind U die Spannung an der Spule und i der Strom entsprechend der erwähnten Messung. Mit R ist der ohmsche Widerstand der Spule inkl. Kabelbaum und Steuergerät bezeichnet. Diese Formel gilt dabei nur, solange sich der Anker nicht bewegt. Aufgrund von Rauschen kann eine Normierung verwendet werden, sodass sich normierte Messpunkte k ergeben, für die gilt: $L_{n o r m, k} = \frac{L_{k}}{\frac{1}{k + 1} \sum_{n = 0}^{k} L_{k}} .$
Durch iterative Anpassung von R kann der Verlauf von L_norm auf eine Steigung von null gebracht werden. Der Schnittpunkt einer Sekante durch zwei Punkte des Verlaufs von L_norm bei z.B. 1,5 und 2,5 (oder anderen geeigneten Werten) mit L=1 ergibt dann den BMP.
Auf diese Weise kann der Beginn des Ankerhubs zwar erkannt werden, allerdings ergeben sich hierbei gewisse Probleme oder Nachteile.
Die Zeitliche Ableitung di/dt des Stroms steht allein im Nenner obiger Formel. Dies bedeutet, dass die Ableitung umso kleiner wird, je größer der Strom wird (aufgrund der Sättigung). Deshalb treten in der Nähe des BMP Signal/Rausch-Probleme auf. Dies gilt besonders bei langsamen Verhältnissen (hoher Druck, geringe Batteriespannung, niedrige Temperatur).
Die Formel, wie L_norm gebildet wird, setzt das erste Element auf konstant eins. Wenn die Rate, mit der sich die Spule mit Energie füllt, nicht konstant ist (tatsächlich steigt die Induktivität in den ersten ein bis zwei Millisekunden nämlich stärker an als danach), dann sind alle späteren Werte für Induktivität höher als eins. Da der Widerstand R ein Modellparameter ist, wird dieser so lange angepasst, bis L=1 gilt. Dadurch wird aber die Position des BMP verschoben. Zudem ist in einem solchen Algorithmus oft eine Validitätsprüfung integriert, die den bestimmten Zeitpunkt für BMP als ungültig ansieht, wenn L_norm für längere Zeit von eins abweicht. Selbst wenn der BMP dann eindeutig und richtig gefunden worden wäre, wird er als ungültig angesehen.
Durch die Wahl der zwei Punkte im Verlauf von L_norm für die Bildung der Sekante wird keine globale Suche nach dem BMP durchgeführt. Vielmehr wird der erste Punkt auf dem Verlauf von L_norm, der gleich oder größer dem zweiten Wert (in obigem Beispiel 2,5) ist, für die Sekantenbildung verwendet. Kleinere Oszillationen auf dem Stromverlauf (z.B. wegen Spannungsschwankungen) können damit zu einen zu frühen BMP führen, der wegen des flachen Verlaufs von L_norm als valide gilt.
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung nun vor, bei einem solchen elektromagnetischen Aktor während einer Bestromung der Spule einen Stromverlauf zu messen, wozu zu mehreren Zeitpunkten jeweils ein aktueller Wert des Stroms in der Spule gemessen wird, wie grundsätzlich auch vorstehend schon erwähnt. Damit wird ein gemessener Stromverlauf erhalten. Die Abstände der Zeitpunkte untereinander sollten insbesondere konstant sein, z.B. 100 µs. Der gesamte Zeitraum, während welchem der Stromverlauf gemessen wird, sollte dabei vom Beginn der Bestromung bis zum Erreichen des erwähnten MSP, oder zumindest bis zum Erreichen des Hochpunkt bzw. Maximums (was kurz davor liegt) erfolgen.
Zudem wird während der Bestromung der Spule ein Stromverlauf Zeitpunkt für Zeitpunkt modelliert. Dies ergibt dann einen modellierten Stromverlauf. Die Induktivität der Spule hängt, wie schon erwähnt, insbesondere auch von der Position des Ankers ab. Solange dieser sich nicht bewegt, ändert sich die Induktivität nicht, sobald sich der Anker aber bewegt, ändert sich die Induktivität der Spule. Genau diese Änderung wird bei der Modellierung des Stromverlaufs aber nun gezielt außen vor gelassen.
Hierzu wird ein modellierter Wert des Stroms zu einem Zeitpunkt jeweils aus einem modellierten Wert des Stroms zu einem vorhergehenden Zeitpunkt (insbesondere des unmittelbar vorhergehenden Zeitpunkts; die Zeitpunkte entsprechend dabei denjenigen Zeitpunkten, zu denen auch ein Messwert erfasst wird) und einer (ersten) zeitlichen Ableitung des Stroms (also des Anstiegs bzw. der Änderung des Stroms) zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt. Die zeitliche Ableitung des Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt wird dabei aus dem gemessenen Wert des Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt. Hierzu kann z.B. basierend auf dem gemessen Wert eine Differentialgleichung für den Strom in der Spule unter Annahme einer konstanten Induktivität der Spule gelöst werden. Dabei gilt für den Zeitpunkt k (in der Praxis handelt es sich z.B. um das k-te Element in einem Pufferspeicher) für die zeitliche Ableitung di_k/dt des Stroms: $\frac{d i_{k}}{d t} = \frac{1}{L} (U - R \cdot i_{k}) .$
Das Lösen dieser Differentialgleichung erfolgt insbesondere numerisch Auf diese Weise kann, ausgehend von einem Startzeitpunkt (dort kann dann auf einen Messwert anstelle eines Modellwerts zurückgegriffen werden) Zeitpunkt für Zeitpunkt der Stromverlauf modelliert werden. Zum aktuellen, modellierten Wert zu einem Zeitpunkt (bzw. beim ersten Zeitpunkt des Messwerts) wird dann ein Produkt aus der Steigung des Stroms (wie vorstehend erläutert erhalten; dabei wird angenommen, dass diese bis zum nächsten Zeitpunkt konstant bleibt) und der Zeitdifferenz zum nächsten Zeitpunkt addiert; damit wird der modellierte Wert zum nächsten Zeitpunkt erhalten. Für den nächsten Zeitpunkt k+1 gilt für den modellierten Stromwert i_k+1 damit: $i_{k + 1} = i_{k} + {\frac{d i}{d t} |}_{k} \cdot Δ t$
wobei i_k den Stromwert zum aktuellen Zeitpunkt k bezeichnet und Δt den Abstand zum nächsten Zeitpunkt. Da die Induktivität, wie erwähnt, aber nicht konstant ist, weicht der modellierte Stromverlauf ab dem Zeitpunkt, zu dem sich die Induktivität ändert, also dem Beginn des Ankerhubs, vom gemessenen Stromverlauf ab. Im modellierten Verlauf hinkt der Wert der Induktivität dem tatsächlichen Wert (der in der Messung enthalten ist) hinterher. Dies wird hier gezielt ausgenutzt. Somit kann anhand eines Unterschieds zwischen dem modellierten und dem gemessenen Stromverlauf auf den Zeitpunkt des Beginns des Ankerhubs geschlossen werden.
Die Bestimmung des Zeitpunkts des Beginns des Ankerhubs erfolgt dabei insbesondere nach einer vollen Bestromungsperiode, sodass dabei der gemessene Verlauf vollständig vorliegt. Insofern kann auf den Differenzverlauf auch ein Filter, z.B. ein FIR-Filter (Filter mit endlicher Impulsantwort) angewendet werden.
Hierzu wird insbesondere ein Differenzverlauf zwischen dem modellierten und dem gemessenen Stromverlauf (d.h. der gemessene wird vom modellierten Stromverlauf subtrahiert) gebildet, wobei der Zeitpunkt des Beginns des Ankerhubs als ein Knick in dem Differenzverlauf bestimmt wird. Unter einem Knick ist dabei zu verstehen, dass der Differenzverlauf seine Steigung ändert, z.B. um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert (damit können etwaige Mess- und/oder Berechnungsungenauigkeiten berücksichtigt werden). Solange der Strom noch exponentiell in Sättigung geht, ist die Abweichung zwischen beiden Verläufen (jedenfalls theoretisch) null; bei ggf. schlecht oder falsch gewählten Modellparametern für die Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R ist die Abweichung zumindest in etwa konstant. Sobald die exponentielle Sättigung nicht mehr vorliegt, steigt der Differenzverlauf (stark) an. Das ist der BMP.
Anstatt den Knick in dem Differenzverlauf direkt zu suchen, kann der Differenzverlauf auch von einer Referenzgeraden (Basislinie) subtrahiert werden. Eine solche Basislinie wird z.B. durch den ersten Messwert im Verlauf und den Hochpunkt bzw. den zugehörigen Messwert gebildet (dabei sind insbesondere nur Messwerte zu verstehen, auf die das erwähnte Filter angewendet wurde). Dort wird dann ein (globales) Minimum gesucht, das dem Knick entspricht (der Knick wird damit also indirekt bestimmt). Ein Algorithmus zum Finden eines Minimums ist dabei robuster als zum (direkten) Finden eines Knicks.
Hierbei kann dann auch eine Qualitätszahl bestimmt werden, nämlich als ein Abweichungswert abzüglich der Basislinie (bzw. deren Wert) am Minimum. Liegt kein Ankerhub vor, ist diese Qualitätskennzahl oder Qualitätszahl sehr klein und es kann ein Schwellwert für die Validität der Bestimmung des BMP verwendet werden.
Ein besonderer Vorteil gegenüber bisherigen Möglichkeiten, den Beginn des Ankerhubs zu erkennen, ist bei dem vorgeschlagenen Vorgehen insbesondere, dass die Funktion bzw. Kennzahl, auf der gesucht wird, keine Sprungstellen nach unendlich umfasst (wie dies bei der zeitlichen Ableitung des Stroms im Nenner der Fall wäre). Die Qualitätszahl ist eindeutig und robust gegen Störfaktoren. Generell ist das Finden des BMP damit robust und erfolgt global.
Wie erläutert, sind die Induktivität und der ohmsche Widerstand Modellparameter. Diese können nicht über ein lineares Gleichungssystem bestimmt werden, da sich die zugrundeliegenden Basisfunktionen nicht nach einzelnen Parametern trennen lassen. Die vorgeschlagene Methode funktioniert jedoch auch bei nicht ganz optimalen Parametern, allerdings kann dann die erwähnte Qualitätskennzahl (es handelt sich um eine Art Signal-Rausch-Verhältnis) schlechter werden. Insofern ist es bevorzugt, einen für die Induktivität und/oder den ohmschen Widerstand verwendeten Wert mittels eines Optimierungsverfahrens zu bestimmen. Das Optimierungsverfahren sollte dabei bevorzugt nicht bereits innerhalb eines Funktionsaufrufs (und damit eines Bestromungsvorgangs) auskonvergieren, sondern die Parameter können im Laufe mehrerer Auswertungen (und damit Bestromungsvorgänge) langsam adaptiert werden. Dabei kommen insbesondere ein Maschinen-Lern-Verfahren oder eine Simplexoptimierung in Betracht.
Das Maschinen-Lernen ist typischerweise schneller und kann auch „on-the-fly“ angewendet werden, also während die Suche nach dem BMP durchgeführt wird. An jedem Zeitpunkt kann dabei eine kleine Adaption der Parameter erfolgen, wobei allerdings aufwändige Gleitkomma-Multiplikationen nötig sind.
Bei der Simplexoptimierung können die Parameter nur einmal pro Ankerhub bzw. Bestromungsperiode angepasst werden und es werden etwas mehr (ca. eineinhalb Mal so viele) Multiplikationen wie beim Maschinen-Lernen benötigt. Allerdings kann es in Ganzzahl-Arithmetik implementiert werden, was eine schnellere Ausführung erlaubt. Für eine nähere Erläuterung einer Optimierung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Der elektromagnetische Aktor kann insbesondere Teil einer Pumpe mit einem Pumpenraum sein, der wenigstens einen Anschluss aufweist, und dem dann mittels Federkraft beaufschlagten Anker (bzw. Magnetanker), der durch Anlegen der Spannung an die Spule gegen die Federkraft bewegbar bzw. betätigbar ist. Zweckmäßig sind dabei insbesondere zwei Anschlüsse, sodass über einen Anschluss ein Fluid in den Pumpenraum zugeführt und über den anderen Anschluss abgeführt werden kann. Der Anker und die Spule sind dabei insbesondere Teil eines elektromagnetischen Linearaktors, wobei an die Spule eine Spannung angelegt werden kann, um eine magnetische Kraft zu erzeugen, die den Anker in eine Richtung bewegt. Dabei wird der Anker gegen die Federkraft bewegt. Für eine Bewegung in Richtung der Federkraft hingegen darf keine magnetische Kraft auf den Anker ausgeübt werden oder vorhanden sein, die die Federkraft übersteigt.
Bei einer solchen Pumpe wird durch eine Bewegung des elektromagnetischen Linearaktors bzw. des Ankers in eine erste Richtung Fluid durch einen Anschluss in den Pumpenraum gesaugt und durch eine Bewegung des Ankers in eine zweite - dann der ersten Richtung entgegengesetzte - Richtung wird Fluid durch einen Anschluss aus dem Pumpenraum verdrängt. Wenn zwei Anschlüsse im Pumpenraum vorhanden sind, werden für das Ansaugen und Verdrängen, wie erwähnt, typischerweise zwei verschiedene Anschlüsse verwendet. Um den jeweils anderen Anschluss, durch den gerade kein Fluid gefördert wird, zu verschließen, können geeignete Ventile wie Rückschlagventile vorgesehen sein.
Die erste Richtung kann dabei die Richtung der Federkraft sein, die zweite Richtung entsprechend der Federkraft entgegengerichtet, d.h. diejenige, wofür eine magnetische Kraft mittels der Spule bzw. des Linearaktors erzeugt werden muss. Diese beiden Richtungen können jedoch auch vertauscht sein. Hierbei ist letztlich nur die gewünschte Anbindung des Ankers bzw. elektromagnetischen Linearaktors an den Pumpenraummaßgeblich.
Als eine solche Pumpe mit Anker und Spule kommt dabei insbesondere eine sog. Membranpumpe in Betracht. Hierbei ist der Pumpenraum auf einer Seite mit einer flexiblen Membran verschlossen, wobei der Anker derart an den Pumpenraum bzw. die Membran angebunden ist, dass bei Bewegung des Ankers die Membran bewegt wird, sodass das Volumen im Pumpenraum vergrößert bzw. verkleinert wird. In SCR-Systemen bzw. in Fördereinheiten von SCR-Systemen oder auch anderen Fluid-Versorgungssystemen können solche Pumpen besonders bevorzugt eingesetzt werden.
Mittels einer solchen Pumpe kann nun besonders einfach ein Fluid wie Harnstoff-Wasser-Lösung gepumpt werden, beispielsweise von einem Reduktionsmitteltank zu einem Dosiermodul. Für ein kontinuierliches Pumpen kann der Anker abwechselnd in die erste und die zweite Richtung - bzw. hin und her - bewegt werden. Für eine Bewegung gegen die Federkraft ist eine ausreichendend hohe Spannung an die Spule anzulegen, sodass eine magnetische Kraft erzeugt wird, die die Federkraft übersteigt. Sobald die Bewegung in die eine Richtung beendet ist, kann die Spannung wieder weggenommen werden, sodass durch die Federkraft der Anker in die andere Richtung bewegt wird. Das Magnetfeld kann z.B. wahlweise über eine Freilaufdiode oder schneller über eine Zenerdiode abgebaut werden. Anschließend kann wieder die Spannung angelegt werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ein Abgasnachbehandlungssteuergerät oder ein Pumpensteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch ein elektromechanisches System mit einem elektromagnetischen Aktor mit einer Spule und einem darin durch Anlegen einer Spannung an die Spule beweglichen Anker, und einer solchen Recheneinheit ist Gegenstand der Erfindung, beispielsweise in Form eines Fluiden-Versorgungssystems, insbesondere SCR-Versorgungssystem, mit einer Pumpe mit einem Pumpenraum, dessen Volumen durch den elektromagnetischen Aktor variiert wird.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fluid-Versorgungssystem in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch eine Pumpe, wie sie im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
3 bis 6 zeigen Stromverläufe zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
7 und 8 zeigen Stromverläufe zur Erläuterung eines Optimierungsverfahrens bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
9 zeigt vereinfacht ein Optimierungsverfahren bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch und beispielhaft ein als SCR-Versorgungssystem ausgebildetes, erfindungsgemäßes elektromechanisches System 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das SCR-Versorgungssystem 100 umfasst eine Fördereinheit 110, die eine Pumpe bzw. Förderpumpe 200 aufweist, die dazu eingerichtet ist, Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank 120 über eine Druckleitung 121 zu einem Dosiermodul oder Dosierventil 130 zu fördern.
Dort wird das Reduktionsmittel dann in einen nicht dargestellten Abgasstrang einer Brennkraftmaschine gesprüht. Weiterhin ist ein Drucksensor 140 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, einen Druck p zumindest in der Druckleitung 121 zu messen. Eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 ist mit dem Drucksensor 140 verbunden und erhält von diesem Informationen über den Druck p in der Druckleitung 121. Außerdem ist das Steuergerät 150 mit dem Fördermodul 110, und dort insbesondere mit der Pumpe 200, sowie mit dem Dosierventil 130 verbunden und kann diese ansteuern.
Zudem umfasst das System 100 einen Rücklauf 160, durch den Reduktionsmittel aus dem System zurück (vgl. Q_RL) in den Reduktionsmitteltank 120 geführt werden kann. In diesem Rücklauf 160 ist beispielhaft eine Blende 161 angeordnet, die einen örtlichen Strömungswiderstand bietet.
In 2 ist rein schematisch eine als Membranpumpe ausgebildete Pumpe 200, wie sie im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, gezeigt, um deren Funktionsweise zu erläutern.
Die Pumpe 200 weist einen Pumpenraum 210 mit zwei Anschlüssen 211 und 212 auf und ist mittels einer flexiblen Membran 215 verschlossen. An die beiden Anschlüsse sind Leitungen mit Ventilen 230 bzw. 231 angebracht, sodass beispielsweise über das Ventil 230 Fluid in den Pumpenraum eingesaugt und über das Ventil 231 aus dem Pumpenraum verdrängt werden kann.
Weiterhin weist die Pumpe 200 einen elektromagnetischen Linearaktor 220 auf, der wiederum einen Elektromagneten bzw. eine Spule 221 aufweist, an die eine Spannung U angelegt werden kann, sowie einen beweglichen Anker 222. Der Anker 222 ist mittels einer Feder 223 mit Federkraft F_F beaufschlagt und mit der Membran verbunden. Mittels des Elektromagneten kann eine magnetische Kraft F_M auf den Anker 222 ausgeübt werden, die der Federkraft F_F entgegengerichtet ist.
Der elektromagnetische Linearaktor 220 bzw. dessen Anker 222 kann nun in eine erste Richtung R₁ bewegt werden, indem keine magnetische Kraft ausgeübt wird oder eine solche zumindest geringer ist als die Federkraft. Damit wird Fluid in den Pumpenraum gesaugt. Weiterhin kann der elektromagnetische Linearaktor 220 bzw. dessen Anker 222 in eine zweite, der ersten Richtung entgegensetzte Richtung R₂ bewegt werden, indem eine magnetische Kraft ausgeübt wird, die größer ist als die Federkraft. Damit wird Fluid aus dem Pumpenraum verdrängt.
In den 3 bis 6 sind Stromverläufe in der Spule während einer Bestromung mit Strom I über der Zeit t zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
In 3 ist zunächst ein realer Stromverlauf in einer Spule gezeigt. Dabei ist zu sehen, dass der Verlauf zunächst einem exponentiellen Sättigungsverhalten folgt, dann aber von diesem Sättigungsverhalten abweicht. Dies beginnt beim Zeitpunkt t_BMP, also dem Zeitpunkt des Beginns des Ankerhubs. Grund für die Abweichung vom Sättigungsverhalten ist die von der Bewegung verursachte Gegeninduktivität. Das Sättigungsverhalten im weiteren Verlauf, wie es ohne Ankerhub aussehen würde, ist gestrichelt dargestellt. Das generelle exponentielle Sättigungsverhalten ergibt sich dabei gemäß der Formel $i (t) = i_{0} \cdot (1 - exp (- \frac{R}{L} t))$
mit i₀ als Sättigungsstrom, R dem gesamten ohmschen Widerstand und L der Induktivität der Spule.
Der Strom nimmt nach dem Zeitpunkt t_BMP sogar ab und zwar bis zum Zeitpunkt t_MSP, also demjenigen Zeitpunkt, zu dem der Anker seinen mechanischen Endpunkt erreicht hat. Danach setzt sich das exponentielle Sättigungsverhalten fort, bis die Spannung abgeschaltet wird. Der Strom klingt dann ab. An dem Verlauf ist auch zu sehen, dass der Zeitpunkt t_BMP bzw. der Beginn des Ankerhubs nicht dem Hochpunkt der Kurve entspricht, sondern davor liegt.
In 4 ist nun im oberen Diagramm mit Kreisen ein gemessener Stromverlauf V_Mess dargestellt. Hierzu wird wiederholt für mehrere Zeitpunkte (hier sind beispielhaft t₀, t₁ und t₂ eingezeichnet) mit Abstand Δt zueinander jeweils ein aktueller Wert des Stroms durch Messung ermittelt, also gemessen. Der Verlauf V_Mess entspricht dabei zwar grundsätzlich sehr gut dem realen Verlauf, allerdings ist der Zeitpunkt t_BMP kaum darin zu erkennen bzw. zu bestimmen.
Mit Kreuzen ist nun zudem ein modellierter Stromverlauf V_Mod gezeigt. Dieser wird erhalten, indem für jeden Zeitpunkt bzw. Zeitschritt k+1 gemäß $i_{k + 1} = i_{k} + {\frac{d i}{d t} |}_{k} \cdot Δ t$
der Strom i_k+1 bestimmt wird, und zwar ausgehend vom Wert i_k des vorhergehenden Zeitpunkts. Die zugehörige zeitliche Ableitung bzw. Steigung di/dt zum betreffenden Zeitpunkt k wird dabei aus dem zugehörigen gemessenen Wert (vgl. den Kreis an diesem Zeitpunkt) durch numerisches Lösen der Differentialgleichung $\frac{d i_{k}}{d t} = \frac{1}{L} (U - R \cdot i_{k})$
bestimmt. Diese Steigungen di/dt sind auch in 4 im oberen Diagramm für jeden Zeitpunkt eingezeichnet. Wenn nun von dem modellierten Stromverlauf V_Mod der gemessene Stromverlauf V_Mess subtrahiert wird (dies kann Zeitpunkt für Zeitpunkt erfolgen), so wird ein Differenzverlauf V_Diff erhalten, der in 4 im unteren Diagramm gezeigt ist. Dort ist beim Zeitpunkt t_BMP, also beim Beginn des Ankerhubs, ein Knick bzw. ein Anstieg zu sehen.
Wenngleich dieser Knick in dem Differenzverlauf gesucht bzw. bestimmt werden kann, wird nachfolgend eine bevorzugte Variante beschrieben. Hierzu ist in 5 zunächst noch einmal der Differenzverlauf V_Diff gezeigt. Zudem ist eine Referenzgerade oder Basislinie R gezeigt, die durch die beiden Werte der Zeitpunkte t₀ und t_M definiert wird. Von dieser Basislinie R wird der Differenzverlauf V_Diff, jedenfalls bis zum Zeitpunkt t_M, abgezogen. Damit wird der subtrahierte Differenzverlauf V'_Diff erhalten.
In dem Verlauf V'_Diff entspricht der Zeitpunkt t_BMP einem (globalen) Minimum (und auch dem Knick). Ein Minimum lässt sich einfacher und robuster finden als der Knick. Zudem kann durch den Abstand zwischen der Referenzlinie und dem Minimum zum Zeitpunkt t_BMP eine Qualitätskennzahl oder Qualitätszahl Q definiert werden, die eine Aussage darüber zulässt, ob überhaupt ein Ankerhub vorliegt oder nicht. Ohne Ankerhub wäre der Wert von Q nämlich sehr gering.
In 6 sind im oberen Diagramm mit einer Linie der gemessene Stromverlauf V_Mess (nicht gefiltert) und der modellierte Stromverlauf V_Mod gezeigt, wie sie in einem Anwendungsbeispiel einem ausführenden Steuergerät vorliegen. Hier ist zunächst ein Unterschied noch kaum zu erkennen. Im unteren Diagramm sind dann der Differenzverlauf V_Diff sowie der subtrahierte Differenzverlauf V'_Diff gezeigt (jeweils nach Filterung). Dort ist der Knick bzw. das Minimum zum Zeitpunkt t_BMP gut zu erkennen.
In den 7 und 8 sind die Verläufe aus 6 jeweils erneut dargestellt. Während bei 6 allerdings von realen bzw. optimalen Modellparametern für Induktivität und ohmschen Widerstand ausgegangen wird, sind diese beiden Parameter bei den 7 und 8 jedenfalls zunächst nicht optimal gewählt. Initial gewählte Werte der Parameter können mittels eines auf Maschinen-Lernen basierenden Optimierungsverfahrens verbessert bzw. optimiert werden.
Dabei kann eine Differentialgleichung mit einfachen Parametern betrachtet werden: $\frac{d i_{k}}{d t} = p_{1} \cdot U + p_{1} \cdot i_{k},$
mit L= 1/p₁ und R=-p₂/p₁. Das Fehlerquadrat F für jeden individuellen Zeitpunkt bzw. Zeitschritt k kann dann wie folgt definiert werden: $F = \frac{1}{2} {({\frac{d i}{d t} |}_{k, M o d} - {\frac{d i}{d t} |}_{k, M e s s})}^{2}$
bzw. $F = \frac{1}{2} {(p_{1} \cdot U + p_{1} \cdot i_{k, Mess} - {\frac{d i}{d t} |}_{k, M e s s})}^{2}$
Der Faktor ½ ändert hierbei nichts an der Lage des Optimums, vereinfacht aber die Formel der Ableitung und damit deren Berechnung. Die Formel F kann dann jedem der beiden Modellparameter p₁ und p₂ (partiell) abgeleitet werden, d.h. es kann ∂F/∂p₁ bzw. ∂F/∂p₂ gebildet werden. Nach jedem Zeitschritt k erfolgt dann ein stark gebremster Abstieg: $p_{1, N E U} = p_{1, ALT} - λ \frac{\partial F}{\partial p_{1}} bwz . p_{2, N E U} = p_{2, ALT} - λ \frac{\partial F}{\partial p_{2}} .$
Der Lernfaktor λ sollte dabei klein genug gewählt werden, damit die Parameter nicht während eines Hubs schon angepasst werden. Bei einem Strom in der Größenordnung mA kann der Lernfaktor z.B. ca. 2e-11 sein. Die angepassten Parameter werden dann nach jedem Zeitpunkt bzw. Zeitschritt wieder angepasst bzw. adaptiert und z.B. in einem Array abgespeichert. Nachdem der Zeitpunkt des Ankerhubs gefunden wurde, können die Parameter für den nächsten Hub verwendet werden.
In 7 ist, wie erwähnt, grundsätzlich die Situation aus 6 gezeigt, aber mit einem initialen Wert der Parameter und einem Lernfaktor von ca. 5e-10. Dabei ist zu sehen, dass die Optimierung im Grunde sehr schnell abgeschlossen ist, in etwa bei dem mit einem Pfeil gekennzeichneten Wert (ca. 40 Zeitschritte). Dies bedeutet, dass insbesondere auch die Induktivität der Spule sehr schnell angepasst wird, sodass ggf. der Einfluss der Ankerbewegung auf die Induktivität (die vorhin erwähnte Gegeninduktivität) mit einfließt. Dies erschwert die genaue Bestimmung des Zeitpunkts des Beginns des Ankerhubs, er wird als zu früh erkannt.
In 8 ist ein deutlich kleinerer Lernfaktor von ca. 2e-11 gewählt. Die Anpassung bis zum Optimum erfolgt hier über mehrere Hübe hinweg, nicht aber bei einem einzigen Hub. Hier gibt es dann zwar einen Offset im Differenzverlauf V_Diff gegenüber 6, was aber durch die Korrektur mit der Basislinie trotzdem gut auswertbar ist. Die Qualitätszahl wird damit zwar generell kleiner, trotzdem sollte die Adaption durchgeführt werden.
Eine andere Möglichkeit, initial gewählte Werte der Parameter anzupassen, ist mittels eines auf einem Simplexverfahren basierenden Optimierungsverfahrens. Dabei handelt es sich um ein Optimierungsverfahren der Numerik zur Lösung linearer Optimierungsprobleme, auch als „Lineare Programme“ (LP) bezeichnet. Es löst ein solches Problem nach endlich vielen Schritten exakt oder stellt dessen Unlösbarkeit oder Unbeschränktheit fest.
Die geometrische Grundidee des Algorithmus besteht darin, von einer beliebigen Ecke eines Polyeders, das durch die lineare Optimierungsaufgabe definiert wird, entlang seiner Kanten zu einer optimalen Ecke zu laufen. Der Name des Verfahrens rührt daher, dass die nichtnegativen Linearkombinationen der Basisspalten in jeder Iteration einen simplizialen Kegel beschreiben. Ein gradientenfreies Optimierungsverfahren nach Nelder-Mead hingegen kann wegen schwankender Messwerte nicht verwendet werden.
Dieses Verfahren wird insbesondere nach jedem Ankerhub angewendet. Dabei wird pro Hub die vorstehende Differentialgleichung jeweils mit drei Parametersätzen gelöst. Ein Satz sind die beiden Parameter (p₁; p₂) mit L=1/p₁= und R=-p₂/p₁, ein Satz sind (p₁+Δ₁; p₂), und ein Satz sind (p₁; p₂+Δ₂), d.h. es werden jeweils Abweichungen eines Parameters eingeführt.
Zunächst erfolgt die Bestimmung des BMP mit den bisherigen Parametern. Die Beträge der Abweichungen der Werte des modellierten Stromverlaufs abzüglich der Werte des gemessenen Stromverlaufs werden aufsummiert und geben den Gesamtfehler eines Hubs bzgl. eines der der Parametersätze. Wenn der Gesamtfehler bei (p₁+Δ₁; p₂) kleiner als bei (p₁; p₂) ist, dann wird A₁ nicht verändert, ansonsten mit -1 multipliziert. Dasselbe gilt für Δ₂. Danach werden die Parameter p₁ und p₂ aktualisiert mit p_1,NEU=p_1,ALT + Δ₁, gleiches gilt für p₂.
Danach kann ggf. eine Aktualisierung der Schrittweiten erfolgen, beispielsweise gemäß folgendem Schema: Wenn sich das Vorzeichen von Δ₁ geändert hat, wird Δ₁ mit 0,5 multipliziert. Der Betrag von Δ₁ sollte aber nicht kleiner als ein definierter Minimalwert werden. Wenn sich das Vorzeichen nicht geändert hat, wird Δ₁ mit 1,25 multipliziert, der Betrag von Δ₁ sollte aber nicht größer als ein definierter Maximalwert werden. Gleiches gilt für Δ₂. Es kann aber auch eine konstante Schrittweite beibehalten werden.
In 9 ist hierzu das Fehlerquadrat F über den beiden Parametern p₁ und p₂ aufgetragen. Die Maße sind hier rein beispielhaft gewählt. Die drei Parametersätze bilden ein Dreieck mit rechtem Winkel am aktuellen Satz A. Das Dreieck muss nicht gleichschenklig sein, sondern kann vielmehr in Richtung größeren Abstiegs größer werden und dort, wo kein klarer Abstieg mehr gegeben ist (Vorzeichenumkehr), kleiner. Auf diese Weise können die Modellparameter Induktivität und ohmscher Widerstand ebenfalls angepasst werden.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Beginns eines Ankerhubs eines elektromagnetischen Aktors mit einer Spule und einem darin durch Anlegen einer Spannung (U) an die Spule (221) beweglichen Anker, wobei während einer Bestromung der Spule ein Stromverlauf (V_Mod) gemessen wird, wozu zu mehreren Zeitpunkten jeweils ein aktueller Wert des Stroms in der Spule gemessen wird, wobei weiterhin ein Stromverlauf (V_Mod) während der Bestromung der Spule Zeitpunkt für Zeitpunkt (t₀, t₁, t₂) modelliert wird, indem ein modellierter Wert des Stroms zu einem Zeitpunkt jeweils aus einem modellierten Wert des Stroms zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und einer zeitlichen Ableitung (di/dt) des gemessenen Stromverlaufs zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt wird, und wobei anhand eines Unterschieds zwischen dem modellierten (V_Mod) und dem gemessenen Stromverlauf (V_Mess) auf einen Zeitpunkt (t_BMP) des Beginns des Ankerhubs geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitliche Ableitung des gemessenen Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt aus dem gemessenen Wert des Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zeitliche Ableitung (di/dt) des gemessenen Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt aus dem gemessenen Wert des Stroms zu dem vorhergehenden Zeitpunkt bestimmt wird, indem basierend auf dem gemessen Wert eine Differentialgleichung für den Strom in der Spule unter Annahme einer konstanten Induktivität der Spule gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei anhand des Unterschieds zwischen dem modellierten und dem gemessenen Stromverlauf auf den Zeitpunkt des Beginns des Ankerhubs geschlossen wird, indem ein Differenzverlauf (V_Diff) zwischen dem modellierten und dem gemessenen Stromverlauf gebildet wird, und wobei der Zeitpunkt (t_BMP) des Beginns des Ankerhubs als ein Knick in dem Differenzverlauf bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Knick in dem Differenzverlauf (V_Diff) bestimmt, indem der Differenzverlauf von einer Referenzgeraden (R) subtrahiert und ein Minimum in dem subtrahierten Differenzverlauf (V'_Diff) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei anhand des Minimums und des von der Referenzgeraden (R) subtrahierten Differenzverlaufs eine Qualitätskennzahl für die Bestimmung des Zeitpunkts (t_BMP) des Ankerhubs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein für die Induktivität und/oder einen ohmschen Widerstand verwendeter Wert mittels eines Optimierungsverfahrens bestimmt wird, insbesondere über mehrere Bestromungsvorgänge hinweg.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Optimierungsverfahren ein Maschinen-Lern-Verfahren oder eine Simplexoptimierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anker des elektromagnetischen Aktors mit Federkraft (F_F) beaufschlagt und durch Anlegen der Spannung (U) an die Spule (221) gegen die Federkraft (F_F) bewegbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektromagnetische Aktor Teil einer Pumpe (200) mit einem Pumpenraum (210) ist, wobei durch eine Bewegung des Ankers (222) in eine erste Richtung (R₁) Fluid in den Pumpenraum (210) gesaugt wird, und durch eine Bewegung des Ankers (222) in eine zweite Richtung (R₂) Fluid aus dem Pumpenraum (210) verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Pumpe (200) basierend auf dem bestimmten Zeitpunkt des Beginns des Ankerhubs betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Pumpe (200) in einer Fördereinheit (110) oder als Fördereinheit eines Fluid-Versorgungssystems (100), insbesondere eines SCR-Versorgungssystems, verwendet wird.
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektromechanisches System mit einem elektromagnetischen Aktor mit einer Spule und einem darin durch Anlegen einer Spannung (U) an die Spule (221) beweglichen Anker, und einer Recheneinheit nach Anspruch 13.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 15.