DE10216759A1 - Stationary position estimation method for electromagnetic drive for operation of IC engine valve using recursive low-pass filtering of actual position for updating previously estimated stationary position - Google Patents

Stationary position estimation method for electromagnetic drive for operation of IC engine valve using recursive low-pass filtering of actual position for updating previously estimated stationary position Download PDF

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Abstract

The estimation method uses detection and evaluation of actual position values for the electromagnetic drive for estimation of stationary positions (8a-8f), with the actual position value fed from a switching logic to a recursive low-pass filter when the actual position value lies in the vicinity of the previously estimated stationary position, the output value of the recursive filter used as the actual estimation value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung stationärer Positionen eines elektromagnetischen Antriebs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a method for estimation stationary Positions of an electromagnetic drive with the features the preamble of claim 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 1132 580A1 bekannt. Derartige elektromagnetische Antriebe werden z. B. zur Betätigung von Ventilen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei dem oben genannten Stand der Technik sind die angesprochenen stationären Positionen die obere und untere Endlage des Ankers des Antriebs. Beim Stand der Technik wird über eine erste Zeitspanne ermittelt, ob der aktuelle Positionswert innerhalb eines Umgebungsbereichs des vorgegebenen stationären Positionswerts verbleibt. Dann wird innerhalb einer zweiten Zeitspanne der Mittelwert mehrerer nacheinander ermittelter aktueller Positionswerte gebildet und dieser Mittelwert wird dann als neuer Schätzwert ausgegeben und verwertet. Es müssen hier für die Ermittlung des neuen Schätzwerts jeweils zwei Messwertreihen verarbeitet werden.Such a method is known from the EP 1132 580A1 known. Such electromagnetic drives are such. B. used for actuating valves of internal combustion engines. In the above-mentioned prior art, the stationary positions mentioned are the upper and lower end positions of the armature of the drive. In the prior art, it is determined over a first period of time whether the current position value remains within a surrounding area of the predetermined stationary position value. The mean value of a plurality of current position values determined in succession is then formed within a second time period and this mean value is then output and used as a new estimated value. In order to determine the new estimated value, two series of measured values must be processed here.

Der Erfindung liegt die gleiche Grundaufgabe wie dem erwähnten Stand der Technik zu Grunde. Diese Aufgabe, nämlich die Ermittlung von Schätzwerten für stationäre Positionen eines derartigen Antriebs, soll jedoch in kürzerer Zeit gelöst werden.The invention has the same basic object like the one mentioned State of the art. This task, namely the determination of estimates for stationary positions of such a drive, but should be solved in a shorter time.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is due to the characteristics of claim 1 solved.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The sub-claims contain advantageous refinements and developments of the invention.

Stationäre Positionen des Ankers des elektromagnetischen Antriebs sind solche Positionen, in denen sich aufgrund von mechanischen Anschlägen, bzw. Fixierungen ohne aufwändige Positionsregelung eine stabile Ruhelage ergibt. Dies sind:
die obere und untere Endlage des Ankers, wie beim Stand der Technik, aber zusätzlich z. B. auch
eine oder mehrere mechanisch fixierte Zwischenstellungen des Ankers (Teilhub) zwischen den Endlagen und
die Position des Ankers in der oberen Endlage des Ventils (Ventilspiel)Stationary positions of the armature of the electromagnetic drive are positions in which a stable rest position results due to mechanical stops or fixations without complex position control. These are:
the upper and lower end position of the armature, as in the prior art, but in addition z. Belly
one or more mechanically fixed intermediate positions of the armature (partial stroke) between the end positions and
the position of the armature in the upper end position of the valve (valve clearance)

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der Endlagen des Ankers eines elektromagnetisehen Antriebs ergibt sich aus der hochgradig nichtlinearen Kraft-Weg-Charakteristik, die solchen Antrieben eigen ist, und zu deren Kompensation im Rahmen einer entsprechenden Regelungsstrategie die genaue Kenntnis des Luftspaltes benötigt wird, der wiederum als Abstand des Ankers von seinen Endlagen definiert ist.The need for determination the end positions of the armature of an electromagnetic drive derive from the highly non-linear force-displacement characteristic, which is peculiar to such drives, and for their compensation within the framework a corresponding control strategy the exact knowledge of Air gap needed is defined as the distance of the armature from its end positions is.

Die Notwendigkeit zur Bestimmung der weiteren oben erwähnten stationären Zwischenpositionen ergibt sich aus der Zielstellung, diese Positionen während des Betriebs des Antriebs möglichst schnell und mit niedriger Annäherungsgeschwindigkeit anzufahren, wozu deren genaue Kenntnis notwendig ist. Solche Zwischenstellungen des Ventils, bzw. Ankers sind für die Motorregelung von Interesse (sh. auch die DE-Patentanmeldung 101 23 454.6).The need for determination the other mentioned above stationary Intermediate positions result from the target position, these positions during the Operation of the drive if possible fast and with low approach speed to approach what their precise knowledge is necessary for. Such intermediate positions of the valve or anchor are for the engine control of interest (see also DE patent application 101 23 454.6).

Neben dem oben erwähnten Vorteil der schnelleren Ermittlung des Schätzwerts tritt bei der Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik, kein Zeitkonflikt auf. Außerdem kann bei der Erfindung die Feststellung der stationären Positionen im einzelnen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht versagen.Besides the advantage mentioned above The faster determination of the estimated value occurs in the invention in contrast to the prior art, no time conflict. Besides, can in the invention, the determination of the stationary positions in detail Contrary to the prior art, do not fail.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • – Erfassung des aktuellen Positionsmesswertes
  • – Verarbeitung des Positionsmesswertes für alle zu schätzenden stationären Positionen und zwar durch:
  • – Überprüfung ob das jeweilige Aktualisierungskriterium durch den aktuellen Positionsmesswert für die jeweilige stationäre Position erfüllt ist
  • – wenn diese erfüllt ist wird die Aktualisierung der Schätzung der Position mittels einer rekursiven Tiefpassfilterung durchgeführt
  • – ist das Aktualisierungskriterium nicht erfüllt, dann erfolgt die Aktualisierung der Schätzung der Endposition durch Übernahme des vorhergehenden Schätzwerts
  • – das Verfahren wird ab Anfang im nächsten Abtastschritt wiederholt
The method according to the invention comprises the following steps:
  • - Acquisition of the current position measurement
  • - Processing of the position measurement value for all stationary positions to be estimated by:
  • - Check whether the respective update criterion is met by the current position measurement for the respective stationary position
  • - If this is fulfilled, the position estimate is updated by means of recursive low-pass filtering
  • - If the update criterion is not met, the estimate of the end position is updated by adopting the previous estimate
  • - The procedure is repeated from the beginning in the next sampling step

Als Aktualisierungskriterium wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein gleitendes Kriterium verwandt, das heißt ein Kriterium, das nicht absolut, sondern in Bezug auf die Schätzung der jeweiligen stationären Position durch folgende Ungleichung definiert ist: eik1 – diu ≤ xk ≤ eik1 + dio wobei xk der aktuelle Positionsmesswert zum Zeitpunkt k und e i / k1 die Schätzung der i-ten stationären Position zum vorhergehenden Abtastzeitpunkt k – 1 sind. Erläuternd sei darauf hingewiesen, dass die Schätzung der i-ten stationären Position zum aktuellen Abtastzeitpunkt k noch nicht verwendet werden kann, da sie erst in der Folge berechnet wird.According to the invention, a sliding criterion is preferably used as the update criterion, that is to say a criterion which is not defined in absolute terms but rather in relation to the estimation of the respective stationary position by the following inequality: e i k1 - d i u ≤ x k ≤ e i k1 + d i O where x k is the current measured position value at time k and ei / k1 is the estimate of the i-th stationary position at the previous sampling time k - 1. For explanatory purposes, it should be pointed out that the estimate of the i-th stationary position at the current sampling time k cannot yet be used, since it is only calculated in the sequence.

Des weiteren sind d i / u und d i / o die Abstände zur unteren, bzw. oberen Schranke. Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit der Gleichung (1) können die Abstände je nach Lage der zu schätzenden stationären Position durchaus zu Unendlich gewählt werden, wodurch das beidseitige Kriterium (1) dann zu einem der folgenden einseitigen Kriterien entartet: eik1 – diu ≤ xk (1a) xk ≤ eik1 + di0 (1b) Furthermore, di / u and di / o are the distances to the lower and upper bound. Without restricting the generality of equation (1), the distances can be chosen to be infinite depending on the position of the stationary position to be estimated, which means that the bilateral criterion 1 ) then degenerate to one of the following one-sided criteria: e i k1 - d i u ≤ xk (1a) x k ≤ e i k1 + d i 0 (1b)

Das Kriterium (1a) wird man insbesondere bei der obersten stationären Position (x maximal) und das Kriterium (1b) bei der untersten stationären Position (x minimal) verwenden.The criterion ( 1a ) you will be especially at the top stationary position (x maximum) and the criterion ( 1b ) at the lowest stationary position (x minimal).

Die Aktualisierung der Schätzung für die stationäre Position durch rekursive Tiefpassfilterung erfolgt nach folgender Gleichung: eik = (1 – α)eik1 + αxk (2) wobei 0 < α < 1 ein Filterfaktor ist, der sich aus der gewünschten Grenzfrequenz des Tiefpassfilters und der Abtastfrequenz in einer dem Fachmann bekannten Weise ergibt. Er wird zweckmäßiger Weise zwischen 0,0001 und 0,01 gewählt, was in etwa einer Mittelwertbildung über 10 000, bzw. 100 Positionsmesswerten entspricht.The estimation of the stationary position by recursive low-pass filtering is updated according to the following equation: e i k = (1 - α) e i k1 + αx k (2) where 0 <α <1 is a filter factor which results from the desired cut-off frequency of the low-pass filter and the sampling frequency in a manner known to the person skilled in the art. It is expediently chosen between 0.0001 and 0.01, which roughly corresponds to an averaging over 10,000 or 100 position measurements.

Ist das Aktualisierungskriterium nicht erfüllt, so wird die Schätzung der entsprechenden stationären Position nach folgender Gleichung aktualisiert: eik = eik1 (2a) das heißt der Schätzwert bleibt unverändert.If the update criterion is not met, the estimate of the corresponding stationary position is updated according to the following equation: e i k = e i k1 (2a) that is, the estimate remains unchanged.

Ergänzend sei angemerkt, dass sich Gleichung 2a ergibt, wenn statt des aktuellen Positionsmesswertes xk die letzte Schätzung der i – ten Endposition e i / k1, in Gleichung 2 eingesetzt wird, das heißt: eik = (1 – α)eik1 + αeik1 = l – α + α)eik1 = eik In addition, it should be noted that equation 2a results if, instead of the current position measurement value x k, the last estimate of the i th end position ei / k1 is used in equation 2, that is to say: e i k = (1 - α) e i k1 + αe i k1 = l - α + α) e i k1 = e i k

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Based on the drawing, an embodiment the invention closer explained. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Antriebs 1 a schematic representation of an electromagnetic drive

2 bis 5 Diagramme zur Erläuterung 2 to 5 Explanatory diagrams

6 ein Flussdiagramm mit den erfindungsgemäßen Schritten 6 a flowchart with the steps according to the invention

In 1 ist mit 1 ein Ventil eines Verbrennungsmotors bezeichnet. Mittels eines bei 2 schwenkbar gelagerten Hebels 3 wird dieses Ventil 1 betätigt, wenn Elektromagnete 4 und 5 abwechselnd betätigt werden. Auf diese Ventilbetätigung wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte ein, nämlich eine nach oben gerichtete Ventilfeder 6 und eine in der Lagerung des Hebels 3 wirksame entgegengesetzt wirkende Drehstabfeder 7.In 1 1 denotes a valve of an internal combustion engine. Using a lever pivoted at 2 3 will this valve 1 actuated when electromagnets 4 and 5 can be operated alternately. Two oppositely directed spring forces act on this valve actuation, namely an upwardly directed valve spring 6 and one in the bearing of the lever 3 effective counter-acting torsion bar spring 7 ,

Die obere und untere Endlage des Ankers sind mit 8a und 8b, drei mögliche Zwischenstellungen des Ankers, bei denen eine Festhalteeinrichtung, z. B. eine Rastung, wirksam ist mit 8c, 8d und 8e und eine weiter Stellung, bei der das Ventil auf seinem Ventilsitz anliegt mit 8f bezeichnet. Nicht eingezeichnet ist das Festhaltesystem in diesen Stellungen. Diese sind in der DE 197 12 062A1 und der DE Patentanmeldung 101 23 454.6 erläutert.The upper and lower end positions of the anchor are included 8a and 8b , three possible intermediate positions of the anchor, in which a holding device, for. B. a detent, is effective with 8c . 8d and 8e and a further position in which the valve rests on its valve seat with 8f designated. The holding system is not shown in these positions. These are in the DE 197 12 062A1 and DE patent application 101 23 454.6 explained.

Da das Verfahren ständig jeden einzelnen Positionsmesswert entsprechend 8a bis 8f verarbeitet, ist der Rechenaufwand pro Abtastschritt konstant und die aktualisierten stationären Positionen stehen immer sofort nach der Verarbeitung der aktuellen Abtastung zur Verfügung. Damit sind bestimmte Nachteile des Standes der Technik vermieden.Since the process constantly corresponds to each individual position measurement 8a to 8f processed, the computing effort per scanning step is constant and the updated stationary positions are always available immediately after processing the current scan. This avoids certain disadvantages of the prior art.

Durch die Anwendung eines rekursiven Tiefpassfilters wird eine bessere Filterung der Positionsmesswerte erreicht und trotzdem eine störende Zeitverzögerung vermieden. 2 bis 4 illustrieren dies für eine Abtastzeit von 20μs:By using a recursive low-pass filter, a better filtering of the position measurement values is achieved and an annoying time delay is nevertheless avoided. 2 to 4 illustrate this for a sampling time of 20μs:

– 2 zeigt das ungestörte Signal und das entsprechend verrauschte Messsignal- 2 shows the undisturbed signal and the correspondingly noisy measurement signal

– 3 zeigt die entsprechend dem Stand der Technik gefilterten Signale für N2 = 10 und N2 = 100. Dabei ist deutlich der Kompromiss zwischen Zeitverzögerung und Filterwirkung zu erkennen.- 3 shows the signals filtered according to the prior art for N 2 = 10 and N 2 = 100. The compromise between time delay and filter effect can be clearly seen.

– 4 zeigt das nach dem Stand der Technik (N2 = 1000) gefilterte Signal 9a gemeinsam mit dem erfindungsgemäß gefilterten Signal 9b. Das rekursive Tiefpassfilter (α = 0,001) erzielt in jedem Abtastschritt (20μs) die gleiche Filterwirkung wie der Stand der Technik für eine Messwertreihe mit 1000 Werten (20ms), das heißt nach 1000-fach kürzerer Zeitverzögerung.- 4 shows the signal filtered according to the prior art (N 2 = 1000) 9a together with the signal filtered according to the invention 9b , The recursive low-pass filter (α = 0.001) achieves the same filtering effect in every sampling step (20μs) as the state of the art for a series of measured values with 1000 values (20ms), i.e. after a time delay that is 1000 times shorter.

Das erfindungsgemäße Aktualisierungskriterium sichert auch eine bessere Konvergenz des Verfahrens:

  • – Durch Verarbeitung jedes einzelnen Messwerts kann der stationäre Kontakt beliebig kurz sein (bereits 1 Abtastung statt N1 Abtastungen).
  • – Die Verwendung eines gleitenden Aktualisierungskriteriums erlaubt beliebig große Driften der zu schätzenden stationären Position.
The update criterion according to the invention also ensures better convergence of the method:
  • - By processing each individual measured value, the stationary contact can be as short as desired (1 scan instead of N 1 scans).
  • - The use of a sliding update criterion allows arbitrarily large drifts of the stationary position to be estimated.

5 zeigt die Konvergenz des Verfahrens bei der Schätzung der oberen Endlage des Ankers ausgehend von einem Startwert von 3,5mm zum tatsächlichen Wert von 4,19mm. 5 shows the convergence of the method when estimating the upper end position of the armature from a starting value of 3.5mm to the actual value of 4.19mm.

6 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 shows an example of a flow chart of the method according to the invention.

Nach der periodisch in einem vorgegebenen Takt von z. B. 20μs stattfindenden Startauslösung bei 10 wird zunächst der aktuelle Positionsmesswert durch 11 erfasst. In 12 wird der Schleifenzähler i für alle n zu aktualisierenden stationären Positionen initialisiert. In 13 erfolgt die Berechnung der gleitenden Schwellwerte der i-ten stationären Position entsprechend Gleichung (1), bzw. (1a) oder (1b). Der Block 14 unterscheidet für die aus Block 13 für den jeweiligen stationären Positionswert kommenden Schnellwerte, ob die Gleichung (1) erfüllt ist. Ist dies der Fall, so wird das i-te Filter gemäß Gleichung (2) in Block 15a aktualisiert. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt die Aktualisierung gemäß Gleichung (2a) in Block 15b. Danach wird mittels Block 16 auf die nächste stationäre Position i + 1 weitergeschaltet und das Verfahren für diese wiederholt. Im Falle i > n sind alle n stationären Positionen aktualisiert und der Vorgang wird beendet.After the periodically in a predetermined cycle of z. B. 20μs start triggering at 10, the current position measurement is first detected by 11. 12, the loop counter i is initialized for all n stationary positions to be updated. 13, the sliding threshold values of the i-th stationary position are calculated in accordance with equation (1), or (1a) or (1b). The block 14 distinguishes for those from block 13 for the respective stationary position value coming quick values whether equation (1) is fulfilled. If this is the case, the i-th filter is blocked in accordance with equation (2) 15a updated. If this is not the case, the update according to equation (2a) takes place in block 15b , Then using a block 16 to the next station nary position i + 1 advanced and the procedure for this repeated. In case i> n, all n stationary positions are updated and the process is ended.

Claims (6)

1) Verfahren zur Schätzung der stationären Positionen (8a bis 8f) eines elektromagnetischen Antriebs, bei dem zu dieser Schätzung aktuelle Positionswerte xu erfasst und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass für jede dieser stationären Positionen (8a bis 8f) getrennt dieser aktuelle Positionswert xk von einer Schaltlogik (12 bis 14) einem rekursiven Tiefpassfilter zugeführt wird, wenn der aktuelle Positionswert xk sich in der Nähe des vorher erhaltenen Schätzwerts e i / k1 dieser stationären Positionen befindet, und dass der Ausgangswert des rekursiven Tiefpassfilters als aktueller Schätzwert e i / k weiter verarbeitet wird.1) Method for estimating the stationary positions ( 8a to 8f ) of an electromagnetic drive, in which current position values x u are recorded and evaluated for this estimate, characterized in that for each of these stationary positions ( 8a to 8f ) this current position value x k is separated from a switching logic ( 12 to 14 ) is fed to a recursive low-pass filter if the current position value x k is in the vicinity of the previously obtained estimated value ei / k1 of these stationary positions, and that the output value of the recursive low-pass filter is further processed as the current estimated value ei / k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rekursive Tiefpassfilter (15a, 15b) der Gleichung e i / k = (1 – α)e i / k1 + αxk gehorcht, wobei e i / k der aktuelle Schätzwert, α ein zwischen 0 und 1 liegender Filterfaktor und e i / k1 der vorhergehende Schätzwert ist.A method according to claim 1, characterized in that the recursive low-pass filter ( 15a . 15b ) obeys the equation ei / k = (1 - α) ei / k1 + αx k , where ei / k is the current estimate, α is a filter factor between 0 and 1 and ei / k1 is the previous estimate. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass α < 0,01 istA method according to claim 2, characterized in that α <0.01 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltlogik (12 bis 14) ein gleitendes Aktualisierungskriterium mit der Ungleichung e i / k1 – d i / u ≤ xk ≤ e i / k1 + d i / o beinhaltet, wobei d i / u und d i / o Werte für je eine untere und obere Schranke sind.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the switching logic ( 12 to 14 ) includes a sliding update criterion with the inequality ei / k1 - di / u ≤ x k ≤ ei / k1 + di / o, where di / u and di / o are values for a lower and an upper bound. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in der obersten oder untersten Position (8a, bzw. 8b) des Antriebs die Ungleichung zu e i / k1 – d i / u ≤ xk bzw. xk ≤ e i / k1 + d i / o gewählt werden.A method according to claim 4, characterized in that at least in the top or bottom position ( 8a , respectively. 8b ) the drive inequality to ei / k1 - di / u ≤ x k or x k ≤ ei / k1 + di / o. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllung des Aktualisierungskriteriums für den neuen Positionswert xu der vorher geschätzte stationäre Positionswert e i / k1 verwendet wird.Method according to Claim 4 or 5, characterized in that if the update criterion for the new position value x u is not met, the previously estimated stationary position value ei / k1 is used.
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