DE10205383B4 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel- Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reglermodell des jeweiligen Aktuators (1) in ein mechanisches Modell (14) und ein magnetisches Modell (15) aufgeteilt wird, die voneinander entkoppelt identifiziert werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
• Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen, d.h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d.h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktuatoren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im Wesentlichen frei gewählt werden kann. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweils durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges angepaßt werden.
• Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektomagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Im Bezug auf einen prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators wird auch auf die Abbildung der 1 und 2 der beigefügten Zeich nung verwiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigen.
• Ein elektromagnetischer Aktuator kann in bekannter Weise so betrieben werden, dass der Anker in beiden Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen der jeweilig zugehörigen Elektomagnet-Spule gebracht wird. Dieser Bewegungsablauf zwischen den beiden Endlagenpositionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" wird nach dem Stand der Technik zeitlich in die kontinuierlich aufeinander folgenden Phasen Fangvorgang, Verweilphase mit einer zusätzlichen Klebzeit und Ablösen bzw. Ablösephase unterteilt. Beim Fangvorgang nähert sich der Anker einem der beiden Elektromagneten. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt, dass der Anker das Joch erreicht, aufsetzt und dort verweilt. Der Verweilvorgang dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule eingeleitet wird, beispielsweise durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr. Das Ablösen des Ankers geschieht in der Regel zeitlich verzögert zur veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt.
• Nach dem Stand der Technik werden Regelverfahren für elektromagnetische Aktuatoren bei Betrieb im Vollhub beispielsweise in der DE 195 30 121 A1 offenbart, die jedoch nur zu Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung sowie den Aktuatorverschleiß Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator vorschlägt, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt und im Wesentlichen reduziert wird, so dass der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. Auch werden konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Klebzeit vorgeschlagen, wobei die Klebzeit als Größe jedoch stets vorhanden bleibt.
• Eine Verbesserung der Steuerung der sogenannten Endphasenbewegung kurz vor dem Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden Spule durch zwischenzeitliches Abschalten der Magnetspulen und nachfolgendes geregeltes Einschalten bis zum Aufsetzen des Ankers auf dem Pol ist in der EP 0 973 177 A2 offenbart. Alternativ zu dieser letztgenannten Lösung schlägt die EP 0 973 178 A2 das Anlegen einer getakteten Spulenspannung mit Regelung vor.
• Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass auch eine trajektorienbasierte Regelung einer Flugstrecke des Ankers zwischen den Polflächen der Elektromagnete nur auf der Basis von Reglermodellen erfolgen kann. Diese Regelmodelle müssen an die Betriebszustände der jeweiligen Aktuatoren angepasst werden. Hierbei gibt es eine Vielzahl von Einflüssen, wie beispielsweise Magnetmaterialeigenschaften, Temperatur und Reibungseinflüsse. Diese Einflüsse können sich über die Betriebsdauer des Aktuators ändern und somit müssen diese Änderungen insbesondere in der Form von Alterungseinflüssen in die Regelmodelle aufgenommen werden.
• DE 198 50 687 A1 offenbart eine Regelung unter Verwendung eines Beobachters bzw. Zustands-Schätzers, der ein Modell des Aktuators mit einem mechanischen und einem elektrischen Teil umfasst. Dabei wird auf eine Einstellung des Modells zur Erhöhung der Präzision der Vorhersagen und Schätzungen durch exaktere Modellierung eines jeweiligen Aktuators nicht eingegangen.
• DE 198 34 587 A1 lehrt ebenfalls eine Regelung unter Verwendung eines erweiterten Kalman-Filters als stochastischen Zustandsschätzer für ein nichtlineares System. Wiederum besteht ein zugrunde liegendes physikalisches Modell des Aktuators aus einem mechanischen, in Form von Differenzialgleichungen zweiter Ordnung nachgebildeten, und einem stark nichtlinearen, über Kennlinienfelder und/oder Tabellen nachgebildeten elektrischen Teil.
• Die nachveröffentlichte Druckschrift EP 1 209 328 A2 offenbart an Stelle der Betrachtung von zwei Teilen eines Modells eine separate Betrachtung eines getrennten Modells für den elektrischen Kreis auf Basis eines Magnetkreises, ohne jedoch auf eine Abbildung des mechanischen Teils eines Aktuators einzugehen.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Einstel lung einer jeweiligen Periodendauer unter Berücksichtigung insbesondere von Materialstreuung, Alterungs- und Umwelteinflüsse zu schaffen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass das Reglermodell eines jeweiligen Aktuators in ein mechanisches Modell und ein magnetisches Modell aufgeteilt wird, deren Parameter voneinander entkoppelt in bestimmten Betriebszuständen identifiziert oder berechnet werden:
• • Mechanikmodell z.B.: Fmagnet = mz .. + dż + czEine Masse m ist bekannt, eine Dämpfung d und eine Federsteifigkeit c werden aus einer Periode und einem exponentialem Abfallen der Ausschwingmagnitude errechnet.
• • Magnetmodell, z.B.:
  
  F_magnet kann aus Sensordaten und dem Mechanikmodell errechnet werden. Der Strom I und Hub z sowie ein Luftspalt ρ werden mit Weg- bzw. Stromsensor gemessen. Der Magnetparameter a dieser Näherung wird insbesondere unter Verwendung der Näherungsformel
  
  identifiziert. Diese Näherungsformel wird in einer Ausführungsform der Erfindung jedoch bei der Identifikation nicht verwendet. Sie stellt nur einen Anhaltspunkt zur Validation einer Identifizierung dar.
• Ein Aktuator stellt ein System höherer Ordnung dar, für dessen Regelung Regelgrößen in einer Anzahl vorhanden sein müssen, die der Systemordnung entspricht. Das mechanische Modell wird durch Differentialgleichungen zweiter Ordnung beschrieben, das magnetische bzw. elektrische Modell durch eine Differentialgleichung erster Ordnung. So ergibt sich insgesamt ein Modell dritter Ordnung. Mithin werden drei Regelgrößen zum Regeln des Aktuators benötigt. Zum Aufbau eines sehr robusten Reglers sind für derartige Systeme nach dem Stand der Technik die Größen Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung gewählt worden. In einem in der DE 100 12 988 A1 offenbarten Modell werden noch im Betrieb auftretende Wirbelströme berücksichtigt, so dass sich als Erweiterung des bekannten Modells insgesamt ein System vierter Ordnung ergibt.
• Die Parameter werden nach dem Stand der Technik einmalig fest vorgegeben, so dass Bauteiltoleranzen und insbesondere auch Alterungseinflüsse nicht berücksichtigt werden.
• Im Gegensatz zu diesen bekannten Ansätzen wird ein Reglermodell erfindungsgemäß für jeden Aktuator separat eingemessen, wobei ein mechanisches Modell in einer Weiterbildung der Erfindung hinsichtlich seiner Parameter in einem Ausschwingversuch festgelegt wird. Bei im Wesentlichen bekannter Masse des Ankers variieren die Parameter gerade des mechanischen Modells aufgrund von Alterungseinflüssen, Fertigungsstreuung insbesondere hinsichtlich ihrer Federsteifigkeiten und der jeweiligen Dämpfung der Bewegung des Ankers. Auch Umge bungsparameter, wie z.B. eine jeweilige Temperatur spielen hier eine wesentliche Rolle.
• Zur Abdeckung dieser mechanischen Einflüsse im Aktuator wird ein Einmessen der Parameter des mechanischen Modells im Zuge eines Ausschwingversuches oder einer Ausschwingmessung in Intervallen wiederholt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausschwingversuch bei jedem Start eines Motors durchgeführt. Vorteilhafterweise sind Mittel und Maßnahmen zur dauerhaften und/oder nichtflüchtigen Speicherung aus einem vorhergehenden Ausschwingversuch vorgesehen, so dass diese Werte als intelligente Startwerte das Regeln und/oder die Parameterbestimmung erleichtern.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausschwingversuch zur Bestimmung der Parameter des mechanischen Modells bei jedem Abstellen eines Motors durchgeführt. In diesem Betriebszustand hat auch der Aktuator eine konstante Temperatur erreicht, so dass durch eine Messung der abklingenden Schwingungsbewegung des nicht weiter elektrisch erregten Aktuators der Ausschwingversuch ohne Mehraufwand als Teil des normalen Betriebsablaufs durchgeführt werden kann. Da die Regelung auch bei kaltem Motor sicher funktionieren muss, wird in einer Ausführungsform der Erfindung auf einen Betrieb im kalten Zustand zurückgerechnet. Das mechanische Modell kann aber zusätzlich auch beim Anstellen des Motors identifiziert werden.
• Vorteilhafterweise wird ein magnetisches Modell von dem mechanischen Modell entkoppelt berechnet, um gemeinsam eine aktualisierte und zuverlässige Darstellung des Zusammenhangs zwischen Hub, Strom und Magnetkraft in einem Aktuator als Grundlage für eine Regelung zu bieten. Die Modelle werden in einer Weiterbildung der Erfindung während des Betriebs identifiziert: Im mechanischen Modell wird die Federsteifigkeit und die Dämpfung mittels einer Ausschwingmessung bei jedem Abschalten des Motors erfasst. Das magnetische Modell wird im Regelbetrieb vorzugsweise kontinuierlich anhand von Positionsmessungen des Ankers über einen Hubsensor zusammen mit Strommessungen angepasst.
• Die Parameterabweichungen innerhalb des magnetischen Modells bewegen sich fertigungsbedingt in einem Bereich von ca. 20 % und müssen daher für jeden Aktuator separat bestimmt werden. Alterungseinflüsse spielen hier eine zusätzliche, wenn auch wesentlich geringere Rolle. Vorteilhafterweise kann im Rahmen eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zu jedem beliebigen Zeitpunkt, also auch während des Betriebs, zur Verbesserung der Eigenschaften des Reglers auf die Parameter des magnetischen Modells zurückgerechnet werden. Die Grundlage hierzu bildet zum einen die genaue Kenntnis eines anliegenden Stroms, zum anderen ein aktueller Hub, der über einen Hubsensor sehr genau ermittelt wird. Über den Hub wird aus den mechanischen Modell auf die Magnetkraft zurück gerechnet. In dieser Berechnung der Magnetkraft aus dem Hub wird durch nummerische Differenziation eine Geschwindigkeit und ein Beschleunigungssignal ermittelt, denen durch das angewendete Prinzip ein starker Rauschpegel überlagert ist. Durch Mittelung der Magnetparameter über einen bestimmten Messbereich, wie etwa bei einem Luftspalt zwischen einem halben Hub bis zur Nulllage, wird dieser Störfaktor weitgehend eliminiert.
• Damit wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren insgesamt eine Regelung für einen Aktuator eines elektromagnetischen Ventiltriebs geschaffen, das sich an ändernde Betriebsbedingungen auch während des Betriebs laufend anpasst. Dadurch werden insbesondere folgende, für eine zuverlässige Regelung nachteilige Effekte ausgeglichen:
• – fertigungsbedingte Streuung der Parameter innerhalb einer Baureihe von Aktuatoren um ca. 20 %,
• – Änderungen des Betriebspunktes des Aktuators, die z.B. aufgrund von Temperaturänderungen eintreten, sowie
• – Alterung des Aktuators.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
• 1: eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen Aktuators in einer geöffneten Endlage;
• 2: eine Darstellung des Aktuators von 1 in einer geschlossenen Endlage;
• 3: eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Ankerhubs in dem Betriebszustand "Vollhub"; und
• 4: ein Blockschaltbild zur Modellierung eines Aktuators.
• In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. Dazu drückt ein Stößel 10 des Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf das Hubventil 3. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles 3 und des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben, das Hubventil 3 ist also maximal geöffnet. Zum Überführen des Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf seinen Ventilsitz 6 bewegt.
• Wie üblich greift an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit ihm auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen kann. Für die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der Aktuator 1 umfaßt dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen auf den Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 einwirkenden Stößel 10, der den Anker 4 trägt und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Am dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 abgewandten Ende des Stößels 10 greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an, die in der dargestellten geöffneten Endstellung entspannt ist.
• Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für welches die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine Länge Δl im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im folgenden auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner geöffneten Position hält.
• In einer in der Abbildung von 2 dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 gegen eine Rückstellkraft der Feder 11 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einem Pol 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an, die im folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen Position hält.
• Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Betriebszustand "Vollhub", in dem der Anker 4 des Aktuators 1 in jeder der Endlagen an den Polflächen 12, 13 der Elektromagnet-Spulen 8, 9 anliegt.
• Beim Durchlaufen einer halben Periode einer Oszillationsbewegung des Ankers 4 im Betriebsmodus "Vollhub" nähert sich der Anker 4 im s.g. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und Abbremsung ungefähr S-förmig ist, wie in der Abbildung von 3 mit einer Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Ankerhubs für den Fall eines Vollhubs skizziert. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt, dass der Anker 4 das Joch erreicht, zu einem Zeitpunkt t_A aufsetzt und dort verweilt. Die Verweilphase dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule z.B. durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr eingeleitet wird. Das Ablösen des Ankers geschieht in der Regel zu erst einem Lösezeitpunkt t_L und damit zeitlich verzögert zu einem Einleitungszeitpunkt t_E mit dem Beginn einer veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit t_K genannt und ist bei der Einstellung und Regelung einer Dauer Δt einer Öffnung des Hubventils 3 im Betriebsmodus "Vollhub" stets zu berücksichtigen.
• Ein großer Nachteil von Reglerkonzepten nach dem Stand der Technik besteht also darin, dass eine Regelung des Aktuators 1 hinsichtlich einer Berücksichtigung von Bauteilstreuungen, Temperatureinflüssen und insbesondere der Auswirkung von Alterungsprozessen sehr unflexibel ist.
• Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch Einführung eines erfindungsgemäßen Reglerentwurfs-Konzeptes beseitigt, der die Parameter der Systemmodelle der Regelung identifiziert und in die Regelparameter einfließen lässt. In der Abbildung von 4 ist ein Modell des zugrunde gelegten Aktuators 1 zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Hub z, Strom I und Magnetkraft F skizziert. Der eingesetzte Regler kennt für die auszuführende Regelaufgabe die Reaktion des Aktuators 1 als zu regelnden Systems, das intern aus Teilsystemen aufgebaut ist. Ein mechanisches System 14 wird durch eine Differentialgleichung zweiter Ordnung mit Berücksichtigung der Größen Kraft F, Ankermasse m, Federsteifigkeit c und Dämpfung d beschrieben. Ein magnetischen System 15 stellt einen Zusammenhang zwischen den Größen Stromfluß I durch die fangende Spule und der Magnetkraft F als Funktion des jeweils aktuellen Hubes z oder eines zum Hub z proportionalen Luftspaltes ρ unter Verwendung einer Konstante a in einem Näherungsansatz her. Ein elektrisches System 16 verbindet die Größen Spannung U, Stromfluß I über eine Differentialgleichung erster Ordnung.
• Die Teilsysteme 14, 15, 16 sind über in der Darstellung von 4 entsprechend als Pfeile eingezeichnete Größen miteinander gekoppelt. Diese Teilsysteme werden voneinander entkoppelt betrachtet und eingestellt, wobei diese Teilmodelle während des Betriebs identifiziert werden: In dem mechanischen Modell 14 wird die Federsteifigkeit c der Federn 7, 11 und die Dämpfung d mittels einer Ausschwingmessung über eine Bestimmung des Hubes z über der Zeit t bei jedem Abschalten des Motors erfasst. Durch diese stete Neubestimmung von Startwerten gehen Änderungen der Parameter Federsteifigkeit c und Dämpfung d über eine Betriebszeit T gesehen als Alterungseinflüsse automatisch in die Regelung ein. Parameterstreuungen werden damit genauso berücksichtigt, wie z.B. eine reparaturbedingte Auswechslung eines Teils oder des gesamten Aktuators 1. Zudem wird eine normale Betriebstemperatur ϑ stets berücksichtigt.
• Das magnetische Modell 15 wird im Regelbetrieb kontinuierlich anhand von Messungen der Position bzw. des Hubes z des Ankers 4 über einen Hubsensor zusammen mit Messungen des Stroms I angepasst. Eine Messung des Spannung U wird hier nicht verwendet, da der Strom als bestimmende Größe für die Kraft aussagekräftiger ist. Dazu erfolgt bei Annäherung des Ankers 4 an eine Polfläche 12, 13 die Messung der Position z, aus der auf nummerischen Wege durch Differenzenbildung die Werte für eine Geschwindigkeit v und durch eine zweite nummerischen Ableitung eine Beschleunigung ermittelt werden. Diese drei Werte bilden die Eingangsgrößen für das mechanische Modellsystem 14, das als Ergebnis die Magnetkraft F ausgibt. Aufgrund des starken Rauschens, das die Werte für die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung u.a. im Zuge der Durchführung der nummerischen Ableitungen überlagert, ist dieser Wert relativ ungenau.
• Zugleich wird der Stromfluß I durch die durch die jeweils fangende Spule 8, 9 gemessen. So kann aus dem Magnetmodell 15 unter Kenntnis der Größen Hub z, Magnetkraft F und Strom I der Magnetparameter a bestimmt werden. Bei der hier zugrunde gelegten linearen Approximation wird zur Modellierung vorausgesetzt, dass der auftretende magnetische Gesamtwiderstand nur im Luftspalt auftritt, so dass Rand-, Streufelder etc. vernachlässigt werden. Ein genaueres Magnetkraftmodell arbeitet mit zwei und mehr Magnetparametern, wobei aber auch zu jedem Zeitpunkt Bestimmungsgleichungen in der Zahl vorhanden sein müssen, die der Anzahl der verwendeten Magnetparameter entspricht. Mehr Gleichungen können natürlich durch zeitlich versetzte Messungen generiert werden.
• Unter den genannten Voraussetzungen muss sich der Magnetparameter a als konstanter Wert feststellen lassen. Aufgrund des Rauschens in den Werten für die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung ist jede Berechnung des Magnetparameters a für sich allein gesehen selber auch ungenau. Während des Fluges werden daher mehrere Werte für den Magnetparameter a berechnet, so dass eine Mittelung eine Minderung des Einflusses des Rauschens bewirkt. Van einem Startwert für den Magnetparameter a ausgehend muss die vorstehend beschriebene Berechnung nicht in Echtzeit ausgeführt werden, das Verfahren konvergiert jedoch sehr zuverlässig und schnell, um als Ergebnis einen aktualisierten und den Umgebungs- und Betriebsparametern optimal angepassten Wert für den Magnetparameter a zu liefern.
• In der Formel zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften kann der Wert des Widerstands R u.a. von der Betriebstemperatur ϑ abhängig sein. Eine Bestimmung der Parameter für das elektrische Teilsystem 16 erfolgt über eine Strom- Spannungsmessung jedoch nur implizit. Durch die Verwendung eines Schaltreglers für den Strom wird der Wert des Widerstands R nicht benötigt.
• Das Modell des Aktuators 1 nach Darstellung von 4 ist damit vollständig bestimmt, so dass nun ein Zusammenhang zwischen einer Spannung U und einem Stromfluss I und einem Hub z eindeutig gegeben ist. Auf dieser Grundlage kann ein Regler mit verbesserten Eigenschaften arbeiten. Damit ist nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals eine Berücksichtigung von externen Einflüssen und insbesondere Alterungseinflüssen über ein Alter bzw. eine Betriebsdauer T des Aktuators 1 zur dauerhaft verbesserten Regelung der Einstellung einer Schaltzeit Δt des Hubventils 3 möglich.

1

Aktuator

2

Ventilschaft

3

Hubventil

4

Anker

5

Ventilteller

6

Ventilsitz

7

Ventilschließfeder

8

Elektromagnet-Spule

9

Elektromagnet-Spule

10

Stößel

11

Ventil-Öffnungsfeder

12

Polfläche

13

Polfläche

14

mechanisches Teilsystem

15

magnetisches Teilsystem

16

elektrisches Teilsystem

I

Stromfluß

Δl

Längenänderung zur Federeinstellung

A

Magnetfläche

a

Magnetparameter (Parameter bei linearer Approximation)

N

Windungsanzahl

R

elektrischer Widerstand

ρ

Luftspalt

t

Zeit

t_A

Anschlagzeitpunkt

t_E

Einleitungszeitpunkt

_tK

Klebzeit

t_L

Lösezeitpunkt

Δt

Schaltzeitspanne

T

Betriebszeit

ϑ

Betriebstemperatur

U

Spannung

z

Wegkoordinate des Ankers 4/Hub

z₀

Startwert (Schließstellung)

z_e

Endwert/maximale Öffnungsstellung

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel- Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reglermodell des jeweiligen Aktuators (1) in ein mechanisches Modell (14) und ein magnetisches Modell (15) aufgeteilt wird, die voneinander entkoppelt identifiziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Parameter der Modelle (14, 15, 16) in Intervallen wiederholt durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Modelle (14, 15, 16) bei einem Start eines Motors bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Parameter des mechanischen Modells (14) in einem Ausschwingversuch bei jedem Abstellen eines Motors durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter insbesondere aus einem vorhergehenden Ausschwingversuch dauerhaft und/oder nichtflüchtig gespeichert werden, so dass diese Werte als intelligente Startwerte für die Regelung und/oder Parameterbestimmung verwendet werden können.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch während des Betriebs des Aktuators (1) auf Parameter eines oder mehrerer der Modelle (14, 15, 16) zurückgerechnet wird.
7. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) verschiebbaren Anker (4) aufweist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch ausgebildet ist, dass sie einen Regler umfasst, der auf einem mechanischen Modell (14) und einem magnetischem Modell (15) basierend aufgebaut ist, wobei die beiden Modelle (14, 15) derart ausgebildet sind, dass sie voneinander entkoppelt identifizierbar sind.
8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmodell (15) durch Mittel zur Messungen von Strom (I) und Hub (z) zur Identifizierung der Parameter während des eigentlichen Betriebs unter Zuhilfenahme des mechanischen Modells (14) ausgebildet ist.