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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung
eines Aktuators, der insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Ventils
einer Brennkraftmaschine für
ein Fahrzeug verwendet wird, wobei der Anker des Aktuators oszillierend
zwischen Polflächen
zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder
durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
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Der
elektromagnetisch betätigte
Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen ist ein bevorzugter Anwendungsfall
für einen
elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1. Hier werden Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine
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 durch Aktuatoren
der vorstehend genannten Art als elektromechanische Stellglieder
betätigt,
wobei der Zeitpunkt des Öffnens
und des Schließens
jedes Hubventils im Wesentlichen völlig frei gewählt werden
kann. Hierdurch können
die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen
Betriebszustand sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich
Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Fahrkomfort und Ansprechverhalten
eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs angepasst
werden.
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Als
wesentliche Bestandteile zum Betätigen eines
Hubventils einer Brennkraftmaschine umfasst ein bekannter Aktuator
einen axial verschieblichen Anker sowie zwei Elektromagnete für das Halten
des Ankers in den Positionen ”Hubventil
offen” bzw. ”Hubventil
geschlossen” mit
den zugehörigen
Elektromagnet-Spulen, und ferner wird der Anker durch mindestens
eine Rückstellfeder
in einer Neutrallage zwischen den Positionen ”Hubventil offen” und ”Hubventil
geschlossen” gehalten,
wenn keine der Spulen mit einem Strom beaufschlagt ist. In Bezug
auf einen prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators
mit zugehörigen
Hubventilen wird auch auf die Abbildung von 1 der beigefügten Zeichnung
verwiesen, die eine derartige Aktuator-Ventil-Einheit in einer geöffneten
Endstellung zeigt.
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Eine
jeweilige Endlage des Ankers wird durch Bestromung des entsprechenden
Elektromagneten eingerichtet. Hierzu wird entweder ein besonderer
Haltestrom direkt vorgegeben, oder es wird eine besondere Form von
Spannung an der jeweiligen Spule angelegt, wie beispielsweise aus
der
EP 0 973 178 A2 bekannt
ist. Ein generelles Problem bei elektromagnetischen Ventiltrieben
besteht jedoch gerade in der hohen Leistungsaufnahme der Aktuatoren
während
dieser Haltephasen. Denn auch, wenn die Aktuatoren während dieser
Haltephasen gesteuert bestromt werden, weisen sie eine sehr hohe
Leistungsaufnahme speziell im Leerlauf bzw. bei niedrigen Drehzahlen
auf. Der gesteuerte Betrieb des Aktuators über eine geregelte Bestromung
erfordert, dass zu dem für
das Halten notwendigen Strom noch ein Sicherheitsfaktor hinzugegeben
wird, um bei auftretenden Gaskräften,
mechanischen Erschütterungen
und Vibrationen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. insbesondere muss
ein Abfallen des Ventils sicher verhindert werden.
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Aus
der Druckschrift
DE
199 20 181 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Ankerauftreffgeschwindigkeit
an einem elektromagnetischen Aktuator durch eine kennfeldgestützte Regelung
der Bestromung bekannt. Hier wird eine ausreichende Haltekraft nach
dem Auftreffen des Ankers auf der Polfläche durch einen entsprechend
eingeregelten Haltstrom über
die Steuerung vorgegeben.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 33 138 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung der Ankerlage
bei einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes bekannt,
das aus einer ersten Stellposition gegen die Kraft einer Rückstellfeder
bei Bestromung des Elektromagneten an der Polfläche des Elektromagneten zur
Anlage gebracht und gehalten wird. Wenn der Anker an der Magnetpolfäche anliegt, wird
zur Energieersparnis die Bestromung des Elektromagneten auf das
zum Halten des Ankers notwendige Maß reduziert und zur weiteren
Ersparnis die Stromzufuhr zwischen einem oberen und einem unteren
Niveau getaktet.
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Die
Druckschrift
DE 199
02 664 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Zufuhr
elektrischer Energie zu einer der Betätigung eines Gaswechselventils
dienen den elektromagnetischen Einrichtung. Zur Realisierung einer
Haltekraft kann mit Erreichen des Weges des oberen oder unteren
Endbereiches die Regelungsstrategie geändert werden. Beispielweise
kann zu diesem Zeitpunkt bis zum erneuten Lösen des Gaswechselventils ein
konstanter Haltestrom von der Regeleinrichtung ausgegeben werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine dementsprechende
Vorrichtung zu schaffen, die eine erforderliche Betriebssicherheit
bei stark verminderter Leistungsaufnahme ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist auch eine
Vorrichtung nach dem unabhängigen
Anspruch 7 eine Lösung
dieser Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen
Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
ist demnach durch den Einsatz einer Kraftregelung gekennzeichnet,
die in einem Haltezustand eine Kontaktkraft zwischen dem Anker bzw.
der Ankerplatte und der Polfläche
des jeweils haltenden Elektromagneten bzw. dem Blechpaket regelt.
Der Haltestrom wird zu Beginn der Kraftregelung auf einen Wert eingestellt, der
nur geringfügig
oberhalb eines theoretisch erforderlichen Mindestwertes liegt. Dieser
Wert ist also weitgehend ohne jede Sicherheitszuschläge angesetzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Kraftregler als Proportionalregler ausgebildet. Ein Proportionalregler
regelt eine Störung
in bekannter Weise stets nur bis auf eine bleibende Restregelabweichung
aus, wobei die Restregelabweichung abhängig von einer jeweils einwirkenden
Kraft ist. Damit zeichnet sich ein Proportionalregelkreis durch
ein nachgiebiges Verhalten gegenüber
Störungen
aus, das mit einer Federcharakteristik verglichen werden kann. Erfindungsgemäß wird diese
Eigenschaft von Proportionalreglern dazu benutzt, dass sie eine
bleibende Regelabweichung in vorgegebener Größe eingestellt bekommen, um
ein Regelausgangssignal zu erzeugen. Die Reglerabweichung kann im
vorliegenden Fall dadurch erzeugt und eingestellt werden, dass im
Haltefall bei einem Geschwindigkeitsregler eine kleine Sollgeschwindigkeit
in Richtung der Polfläche
des aktuell haltenden Elektromagneten vorgegeben wird. Bei der Verwendung
eines Positionsreglers wird eine Sollposition vorgegeben, die um
eine Distanz vorgegebener Größe ins Innere
des Blechpaketes des Haltemagneten verlegt ist, also jenseits der
Polfläche
liegt. Im letzteren Fall ergibt sich unter Verwendung eines Regelkoeffizienten
kZ des Proportionalreglers eine Haltekraft
in der Endlage zu F = kZ × ΔzSoll
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Bei
jeder durch Gasgegenkräfte,
mechanische Erschütterungen
oder Vibrationen im Fahrzeug auftretenden zusätzlichen Abweichung von der
fest vorgegebenen Regelabweichung wird der Regler durch Erhöhung des
Stromes gegensteuern. Dadurch wird eine Anpresskraft zur Sicherung
eines störungsfreien
Betriebes durch Gewährleistung
einer steten Anlage des Ankers in einer Halteposition nur bei Bedarf
durch eine Stromerhöhung
von einem Minimalwert ausgehend veranlasst. Hierdurch werden wesentliche
Energieeinsparungen erzielt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen in der Zeichnung
näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung einer bekannten Aktuator-Hubventil-Einheit
in geöffneter Endstellung;
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2:
die Einheit von 1 in einer geschlossenen Endstellung;
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3:
einen Aktuator mit Sensor und Regler zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer schematischen Darstellung unter Einzeichnung von Regel-
und Vorgabewerten und
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4:
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Positionsregelkreises.
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In
der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter
Bauart dargestellt, der über
einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt
mit der geöffneten
Endlage eine der beiden möglichen
Endlagen des Hubventils 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.
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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 Hubventils 3 einwirkenden
Stößel 10,
der den Anker 4 trägt
und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar
geführt
ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den
Ventilschaft 2 auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3.
An dem Ende des Stößels 10,
das dem Ventilschaft 2 des Hubventils 3 abgewandt
ist, greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an,
die in der dargestellten geöffneten
Endstellung entspannt ist.
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Bei
der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System,
für das
die Ventilschließfeder 7 und
die Ventilöffnungsfeder 11 eine
erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstel lung 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.
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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.
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Um
diese geschlossene Position sicher halten zu können ist eine Kontaktkraft
Fk aufzubauen. Einem für das Halten des Ankers 4 und
für die
Erzeugung dieser Kontaktkraft Fk notwendiger
Strom I wird nach dem Stand der Technik noch ein Sicherheitsfaktor
hinzugegeben, um bei auftretenden Gaskräften, mechanischen Erschütterungen
und Vibrationen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Insbesondere muss
ein Abfallen oder Öffnen
des Ventils 3 sicher verhindert werden. Dementsprechend
ist in beiden Zuständen,
also in der Position von 1 und der von 2,
jeweils eine entsprechende Kraft durch einen erhöhten Stromfluss zu erzeugen.
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Ein
generelles Problem bei bekannten elektromagnetischen Ventiltrieben
besteht jedoch gerade in der hohen Leistungsaufnahme der Aktuatoren 1 während dieser
vorstehend beschriebenen Haltephasen. Denn auch, wenn die Aktuatoren 1 während dieser
Haltephasen gesteuert bestromt werden, weisen sie eine sehr hohe
Leistungsaufnahme speziell im Leerlauf bzw. bei niedrigen Drehzahlen
auf.
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Dieser
Nachteil wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung beseitigt, wie sie in der Abbildung
von 3 dargestellt ist. Hier ist ein Aktuator 1 in
gegenüber
der Darstellung von 2 ergänzter Form beim Halten eines
geschlossenen Zustandes dargestellt. Der Anker 4 wird durch
den Schließermagneten 9 gehalten. Über den
Stößel 10 wird
diese Position von einem Positionssensor 15 festgestellt.
Der Positionssensor 15 ist mit einem Regler 16 verbunden,
der eine Leistungselektronik 17 ansteuert, um den Strom
I den jeweiligen Erfordernissen entsprechend einzustellen. Der Strom
I nimmt jedoch in der Regel niedrigere Werte unter Verwendung einer
Regelung der Haltekraft Fk an, als in sonstigen
sicher arbeitenden bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Im vorliegenden
Fall wird im Haltezustand die Kontaktkraft bzw. Haltekraft Fk zwischen dem Anker 4 und der Polfläche 13 des
haltenden Elektromagneten 9 regelt, wobei der Haltestrom
Ih zu Beginn der Kraftregelung auf einen
Wert eingestellt wird, der nur geringfügig oberhalb eines theoretisch erforderlichen
Mindestwertes liegt. Dieser Wert ist also weitgehend ohne jede Sicherheitszuschläge angesetzt.
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Ein
Proportionalregler regelt eine Störung in bekannter Weise stets
nur bis auf eine bleibende Restregelabweichung aus, wobei die Restregelabweichung
abhängig
von einer jeweils von außen
einwirkenden Kraft ist. Damit zeichnet sich ein Proportionalregelkreis
der dargestellten art durch ein nachgiebiges Verhalten gegenüber Störungen aus.
Dieses Verhalten kann mit einer Federcharakteristik verglichen werden.
Hier wird diese Eigenschaft von Proportionalreglern dazu benutzt,
eine bleibende Regelabweichung in einer vorgegebenen Größe Δzs einzustellen bekommen, um über ein
Regelausgangssignal zu erzeugen, das einem minimal erforderlichen Haltestrom 1h entspricht.
Diese Reglerabweichung wird im vorliegenden Fall dadurch definiert
als Startwert erzeugt, dass im Haltefall bei einem Geschwindigkeitsregler
eine kleine Sollgeschwindigkeit in Richtung zum aktuell haltenden
Blechpaket vorgegeben wird bzw. bei einem Positionsregler eine Sollposition,
die um die Distanz Δzs im Inneren des Blechpakets liegt. Die Haltekraft
Fk des als Proportionalregler ausgebildeten
Kraftreglers ergibt unter Verwendung des Regelkoeffizienten kZ des Proportionalreglers 16 in
der Endlage zu Fk = kZ × ΔzSoll.
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Ein
Ablösen
des Ankers 4 von der Polfläche 13 würde den
Wert Δzs verändern
und damit über
den Regler 16 und die Leistungselektronik 17 den
Strom I vergrößern.
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Die
Kraftregelung kann entweder mittels eines Kraftsensors direkt, oder
alternativ auch mit einem Geschwindigkeits- oder Positionssensor
realisiert werden. Bei dem Einsatz eines Geschwindigkeits- oder
Positionssensors kann ein Geschwindigkeit- bzw. ein Positionsregler oder auch
ein Zustandsregler verwendet werden, der nur über einen Proportionalanteil
im Regler verfügt.
Bei einem bereits vorhandenen Regler muss ein etwaiger Integralanteil
im Regler abgeschaltet werden. Hierbei kann man die Eigenschaft
von Proportionalreglern nutzen, dass sie eine bleibende Reglerabweichung
benötigen,
um ein Reglerausgangssignal zu erzeugen.
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Das
Blockschaltbild von 4 zeigt ein Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Positionsregelkreises
unter Verwendung eines Positionsreglers 18 und eines Geschwindigkeitsreglers 19,
denen die Regelgrößen zist jeweils über Rückkopplungszweige in angepasster
Form mit Sollgrößen zsoll verglichen zugeführt werden. Aktuator 1 und
Leistungselektronik 17 sind zusammen mit dem Sensor 15 als ein
Block in dem Positionsregelkreis dargestellt. Auch dieser Kreis 16 arbeitet
in einer Halteposition als reiner Positionsregler.
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- 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
-
- 15
- Positionssensor
- 16
- Regler
- 17
- Leistungselektronik
- 18
- Positionsregler
- 19
- Geschwindigkeitsregler
- Ih
- Haltestrom
- Δl
- Längenänderung
zur Federeinstellung
- Fk
- Kontaktkraft
- t
- Zeit
- z
- Wegkoordinate
des Ankers 4
- zh
- Hub
in der Haltestellung
- Δzs
- Differenzwert
zur Erzeugung einer definierten Regelabweichung
- zsoll
- Soll-Wert
des Hubes
- zist
- Ist-Wert
des Hubes