DE10244335A1

DE10244335A1 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE10244335A1
Application number: DE10244335A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Reif
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: DE10244335B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils (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. DOLLAR A Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Aktuators der vorstehend genannten Art zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass ein Beobachter (15) aus einem Modell des Aktuators (1) gespeist wird, in dem für einen mechanischen Teil (17) und einen elektrischen Teil (18) des Aktuators (1) je ein getrenntes Modell ausgewertet wird und die getrennten Modelle (17, 18) miteinander gekoppelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Ventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft 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. In Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden Gaswechsel-Hubventile durch derartige Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb, kurz auch als EVT bezeichnet, werden die Hubventile einzelnen oder auch in Gruppen über elektromechanischen Stellglieder, die sog. Aktuatoren, bewegt. Dabei kann der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventils im wesentlichen frei gewählt werden. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweiligen durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand, sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschinen angetriebenen Fahrzeugs angepasst werden.

Ein zu diesem Zweck eingesetzter bekannter Aktuator umfasst als wesentliche Bestandteile einen Anker, der zwischen Polflächen von zwei Elektromagneten axial verschieblich angeordnet ist und in Ruhe durch mindestens ein Federelement in einer Mittellage zwischen den beiden Polflächen gehalten wird. Der Antrieb des als Hubventil ausgebildeten Gaswechsel-Ventils erfolgt über einen Stößel, der mit dem Anker des Aktuators starr verbunden ist. In einer geschlossenen Stellung des Ventils befindet sich der Ventilteller in einem Ventilsitz, und der Anker des Aktuators befindet sich gegen die Rückstellkraft des Federelements in Anlage mit der Polflä che der Schließerspule. Zum Öffnen des Hubventils wird der Anker des Aktuators von der Schließerspule abgelöst und in Richtung auf die Öffnerspule zu bewegt. Hierbei wirkt der Stößel des Aktuators auf einen Ventilschaft des Hubventils zur Kraftübertragung gegen die Kraft einer Rückstellfeder ein.

Ein elektromagnetischer Aktuator kann in bekannter Weise so angetrieben werden, dass der Anker in beiden Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen in der jeweilig zugehörigen Elektromagnet-Spulen 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. Ablösephasen unterteilt. Beim Fangvorgang nähert sich der Anker einem der beiden Elektromagnete. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird zum Aufbau einer geeigneten Magnetkraft derart bestromt, dass der Anker die Polfläche des Elektromagneten in vorbestimmter Weise erreicht, aufsetzt und dort verweilt. Der Verweilvorgang dauert solange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch bzw. der Polfläche durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Elektromagnet-Spule eingeleitet wird, was beispielsweise durch ein Unterbrechen des Stroms oder durch eine Stromumkehr im Haltemagneten bewirkt werden kann. Das Ablösen des Ankers geschieht i. d. R. zeitlich verzögert zu einer in vorstehend aufgezeigter Weise veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt, die bei der Einstellung einer Schaltzeitspanne eines Aktuators zur Regelung eines Ventils stets zu berücksichtigen ist.

Ein regelnder Eingriff in den Bewegungsablauf des Ankers des Aktuators ist nur in einem Bereich der Endphase der jeweiligen Bewegung möglich, also nur jeweils relativ kurz vor Erreichen eines Totpunkts mit oder ohne Aufsetzen des Ankers auf einer jeweiligen Polfläche des jeweils bestromten Elektromagneten. Für jeden regelnden Eingriff zur Verbesserung bzw. Kontrollierung und Steuerung der so genannten Endphasenbewegung kurz vor dem Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden Elektromagnet-Spule liegt eine möglichst genaue Kenntnis der Größen Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers zugrunde. Eine für die Regelung ausreichend genaue und schnelle Messung der Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung ist i.d.R. nicht möglich, da ein Aus gangssignal eines Hubsensors so stark verrauscht ist, dass eine Ermittlung der genannten Größen durch Differenziation oder eine graphische Ableitung durch Differenzenbildung zu fehlerhaft ist. Als eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist beispielsweise aus der DE 198 34 548 A1 ein Verfahren zur Schätzung von Geschwindigkeit und Beschleunigung eines EVT-Aktuators bekannt. Dabei wird zur Regelung des Ablaufes des Fangvorganges ein Schätzwert für die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers des Aktuators sowie für die Anker-Beschleunigung unter Rückgriff auf Messwerte für eine jeweils aktuell festgestellte Anker-Position ermittelt. Diese Schätzwert-Ermittlung erfolgt über einen so genannten Beobachter. Der Beobachter arbeitet unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell des Aktuators. Gemäß der Lehre der DE 198 34 548 A1 wird der Beobachter als erweitertes Kalman-Filter mit konstanter Verstärkung ausgeführt und verarbeitet die festgestellten Messwerte für Anker-Position, Stromfluss in der einfangenden Spule und die an die einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Spannung zur Ausgabe von Schätzwerten u.a. für die Beschleunigung des Ankers. Die hier gewählte konstante Beobachter-Verstärkung ist jedoch nur für die im voraus gewählten Werte von Hub und Geschwindigkeit optimal, die dem Entwurf zugrunde gelegt worden sind. Für andere Werte von Hub und Geschwindigkeit kann der Beobachter möglicherweise ungenau arbeiten. Damit ist dann auch wiederum die über eine Beeinflussung des durch die bestromte Spule fließenden elektrischen Stroms eingreifende Regelung ungenau, so dass die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine nicht optimal an einen jeweiligen durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand angepasst werden.

Eine Steigerung der Genauigkeit eines Modells des Aktuators ist durch die Berücksichtigung von Wirbelströmen möglich, wie dies beispielsweise in der DE 100 12 988 A1 offenbart ist. Damit können auch Energieverluste im Bereich des Ankers berücksichtigt werden, die zu Ungenauigkeiten bei den einzelnen Ventilsteuerzeiten führen können, und in einzelnen Ausführungsformen alternativ z.B. durch kostspielige Blechung der Anker zu senken versucht wurden. Dabei wird in einem Verfahren gemäß der DE 100 12 988 A1 unter Rückgriff auf ein Modell der Magnetflüsse ein mathematisches Modell entworfen, um eine Spannungssteuerung unter der Bedingung minimaler Wirbelstromverluste auswählen zu können. Eine gleichartige Berücksichtigung der Wirbelströme in einem Verfahren gemäß der DE 198 34 548 A1 ist jedoch kaum möglich, da die Komplexität einer damit zu lösenden mathematischen Aufgabe mit vier oder mehr Zustandsgrößen auch bei der Berechnung mit sehr leistungsfähigen Rechnern in der geforderten Zeitspanne nicht mehr zu handhaben ist und/oder zu ungenauen Schätzwerten führt.

Zum weiteren technischen Hintergrund wird noch auf die EP 1 209 328 A2 hingewiesen, die sich bereits mathematischer Modelle zur Steuerung von elektromagnetischen Aktuatoren bedient.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Aktuators der vorstehend genannten Art zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weiter ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 7 eine Lösung dieser Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass ein Beobachter aus einem Modell des Aktuators gespeist wird, in dem für einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil des Aktuators je ein getrenntes Modell ausgewertet wird und die getrennten Modelle miteinander gekoppelt werden. Im Gegensatz zu der DE 198 34 548 A1 wird erfindungsgemäß nicht ein in hohem Maße nichtlineares System für den gesamten Aktuator aus einem mechanischen Teil und einen elektrischen Teil in einer gemeinsamen Beschreibung behandelt. Es werden vielmehr zwei getrennte und dementsprechend kleinere sowie damit auch einfacher zu berechnende Teilsysteme gebildet. Die Anzahl der dementsprechend zu behandelnden Matrizen nimmt damit zwar von einer auf zwei zu, die Größe bzw. der Rang der Matrizen nimmt jedoch ab. Da sich der Rechenaufwand im wesentlichen quadratisch zu dem Rang einer Matrix verhält, nimmt der gesamte Rechenaufwand in einem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den vorstehend zitierten Verfahren nach dem Stand der Technik also vorteilhafterweise stark ab.

In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt der Entwurf des Beobachters mit Hilfe einer Eigenwertvorgabe, wobei dieser Entwurf in einer Ausführungsform der Erfindung jeweils für beide Teilsysteme einzeln vorgenommen wird. Damit kann jedes Teilsystem aufgrund seiner vergleichsweise geringen Größe so schnell berechnet werden, dass sich auch in der Summe ein Geschwindigkeitsvorteil ergibt. Es kön nen sogar erprobte lineare Entwurfsverfahren für den Aufbau der jeweiligen Teile des Gesamt-Zustandsschätzers eingesetzt werden, wobei jedoch vorteilhafterweise beide Teilsysteme einzeln und voneinander unabhängig getestet werden können. Damit wird eine eventuelle Fehlersuche und/oder Optimierung des Gesamtsystems erheblich vereinfacht und beschleunigt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das mechanische und das elektrische Teilsystem des Aktuators über den Hub des Ankers und den magnetischen Fluss des Ankers oder aber der Magnetkraft gekoppelt. Beide Größen stellen dabei Ausgangssignale der jeweiligen Teilsysteme dar, die als Eingangsgrößen des jeweils anderen Teilsystems verwendet werden können.

Zur weiteren Vereinfachung des zu modellierenden Systems wird nur ein dem Anker jeweils näher liegender Elektromagnet durch das Modell des elektrischen Teils des Aktuators nachgebildet. In einer jeweils zu regelnden Endphase der Bewegung des Ankers ist beim Fangen oder Ablösen i.d.R. nur ein Elektromagnet bestromt, vorzugsweise nur der jeweils nächstliegende Elektromagnet. Zudem ist der elektromagnetische Einfluss des jeweils anderen und damit vergleichsweise weit entfernten Elektromagneten über einen großen Luftspalt vernachlässigbar gering, so dass durch die vorgeschlagene Näherung nur ein sehr geringer prinzipieller Fehler in die Ermittlung der Schätzwerte eingeht. Die Senkung des Berechnungsaufwandes für ein mechanisches Teilsystem und nur ein statt zwei elektrischer Teilsysteme ist jedoch erheblich, da nunmehr nur vier statt zuvor sechs Zustandsgrößen für ein mechanisches System und zwei an sich baugleiche elektromagnetische Systeme berücksichtigt werden müssen. Dieser Ansatz senkt den Aufwand also um ein Drittel. Vorteilhafterweise werden in einer Ausführungsform der Erfindung beide Teilsysteme durch jeweils eigene Beobachter geregelt.

Zur Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer geöffneten Endstellung;
2: das Ventil gemäß 1 in einer geschlossenen Endstellung;
3: eine Darstellung eines modellhaften Ausschnitts des Aktuators von 1 mit einem skizzierten Magnetfluss;
4: ein magnetisches Ersatzschaltbild zu dem in 3 dargestellten Magnetkreis und
5: ein Blockschaltbild eines Aktuators mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zweiteiligen Beobachters.
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.
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.
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 Feineinstellung über eine Länge ΔI 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 mechanischen 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.
Da in der vorliegenden Ausführungsform des Gaswechsel-Hubventils der Ventilschaft 2 und der Stößel 10 einstückig miteinander verbunden sind, ist eine Länge L zwischen dem Anker 4 und dem Ventilteller 5 besonders kritisch. Es ist bekannt, dass sich die Länge L während des Motorbetriebes aufgrund thermischer Ausdehnung oder Arten von Verschleiß ändert. Um einen fehlerfreien Betrieb des Motors sicherzustellen, wird dieser Effekt in einer geeigneten Weise kompensiert, was hier nicht weiter dargestellt wird.
Das vorstehend mit einem geschlossenen Bewegungsablauf und den jeweiligen stationären Endlagen in geschlossener oder offener Endstellung beschriebene Gesamtsystem setzt sich aus einem mechanischen, sowie einem elektrischen Teil und einem Regelungs-Teil zusammen. Der mechanische Teil des Systems umfasst den Aktuator 1 selber mit dem Hubventil 3. Der elektrische Teil des Systems müsste genauer als elektro-magnetischer Teil bezeichnet werden, da er neben Mitteln zum Einstellen eines Stromes I und zur Bereitstellung einer bestimmten Spannung U auch Schalter und die Elektromagnet-Spulen 8, 9 umfasst, die in den Polen mit dem Anker 4 zusammen einen Eisenkreis mit bestimmten Bedingungen für einen darin geführten magnetischen Fluss Φ_a bilden.
Eine Regelung aus einer konkreten Fahr- und Betriebssituation heraus vorgegebener Ventilschließzeiten ist nur über den elektrischen Teil des Systems möglich. Dabei ist der Einfluss der Regelung im Wesentlichen auf eine Anfangs- und eine Endphase einer Schließ- oder Öffnungsbewegung beschränkt. In diesen Situationen befindet sich der Anker 4 ungefähr 10% eines vorgegebenen Gesamthubes des Aktuators 1 von der Polfläche 12, 13 des jeweils fangenden Elektromagneten 8, 9, oder des Elektromagneten, von dem er sich gerade lösen soll, entfernt. Durch diesen relativ geringen Luftspalt z₁ ist der über den magnetischen Fluss Φ_a im Anker 4 bzw. durch den Fluss Φ_c in einem Joch 14 ausgeübte magnetische Einfluss bzw. eine Kraft F_mag eines durch die betreffende Spule 8, 9 fließenden Stromes I auf die Zustandsgrößen des Ankers 4 besonders groß, siehe die beispielhafte Ausschnittsdarstellung von 3.
Um einen jeweils zum Auf- oder Abbau eines magnetischen Flusses Φ_a erforderlichen Strom I einstellen zu können, müssen die Zustandgrößen des Ankers 4 des Aktuators 1 möglichst genau bekannt sein. Ein hier nicht weiter dargestellter Hubsensor ist dabei zwar in der Lage, einen jeweils aktuellen Hub z in dem Aktuator 1 ausreichend schnell und relativ präzise festzustellen. Sein Ausgangssignal ist jedoch i.d.R. so stark verrauscht, dass durch Differenziation oder Differenzenbildung aus diesem Signal eine aktuelle Geschwindigkeit v nur sehr ungenau ermittelt werden kann. Jede aus diesen Werten ermittelte Beschleunigung a ist daher für eine Regelung viel zu unzuverlässig und damit unbrauchbar.
Da eine Regelung aus vorstehend aufgezeigten Gründen aber nur auf der Grundlage einer genauen Kenntnis der Größen Hub z, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a des Ankers 4 des Aktuator 1 erfolgen kann, besteht die Aufgabe des Regelungs-Teils neben der eigentlichen Regelaufgabe auch in der Bereitstellung zuverlässiger Werte für die fehlenden Größen Geschwindigkeit v und Beschleunigung a des Ankers 4 und deren Verarbeitung.
Zur Bereitstellung zuverlässiger Werte für die fehlenden Größen Geschwindigkeit v und Beschleunigung a des Ankers 4 ist ein sog. Beobachter 15 als Teil der Regelung vorgesehen, der aus Eingangswerten Schätzwerte für die fehlenden Größen Geschwindigkeit v und Beschleunigung a ermittelt. Die auf der Basis eines Modells ermittelten Schätzwerte werden auf Eingangswerte U, I in einem folgenden Zeitschritt fortgerechnet und im Ergebnis mit einem jeweils neuen Satz von Eingangswerten verglichen. Abweichungen zwischen den jeweils geschätzten und den tatsächlichen Werten werden über eine sog. Beobachter-Verstärkung K ausgeglichen.
Das Modell des Aktuators 1 ist erfindungsgemäß aus zwei getrennten Teilsystemen aufgebaut; wie in der Abbildung von 5 skizziert besteht diese aus einem elektromagnetischen Teilsystem 16 und einem mechanischen Teilsystem 17. Für das mechanische Teilsystem 17 und das elektro-magnetische Teilsystem 16 werden jeweils getrennt voneinander Beobachter 18, 19 entworfen. Dabei lässt sich das mechanische Teilsystem 17 als ein klassisches Feder-Masse-System, also schwingungsfähiges System, durch eine Differenzialgleichung zweiter Ordnung beschreiben, das durch die Magnetkraft F_mag als äußere Kraft angeregt wird. Bei dem mechanischen Teilsystem 17 handelt es sich also im Gegensatz zu dem elektromagnetischen Teilsystem bereits um ein lineares System.
Eine jeweilige Position z₁ des Ankers 4 definiert im Wesentlichen die Größe eines Luftspaltes ρ zwischen dem Ankers 4 und dem Joch 14 der jeweils aktiven Elektromagnetspule 8, 9. Die Beaufschlagung der jeweils aktiven Elektromagnetspule 8, 9 mit einem Strom I ruft bei N Spulenwindungen im Joch 14 einen magnetischen Fluss Φ_c hervor. Unter Berücksichtigung eines Streuflusses Φ_c zwischen den offenen Ende des Joches 14 und unter Berücksichtigung auch von Wirbelströmen I_e im Anker 4 ergibt sich gemäß dem magnetischen Ersatzschaltbild zu dem in 3 dargestellten vereinfachten Magnetkreis ein Ankerfluss Φ_a. Der Ankerfluss Φ_a ergibt sich gemäß der Abbildung von 4 aus einer Serien-Parallelschaltung von magnetischen Widerständen. Dabei geben die magnetischen Widerstände als R_a einen magnetischen Widerstand der Ankers 4, R_z einen magnetischen Widerstand des Luftspalts, R_c einen magnetischen Widerstand des Jochs 14 und als R_w einen mag netischen Widerstand des Streufeldes Φ_w in dem Luftspalt ρ(z) in Abhängigkeit vom Hub z wiedergeben.
Aus dem Zusammenhang zwischen Magnetkraft F_mag und Ankerfluss Φ_a gemäß der Formel Fmag = ka·(Φa)2 mit einer durch Messungen zu gewinnenden Konstanten k_a lässt sich hieraus wiederum die elektro-magnetische Anregung für das mechanische Teilsystem 17 bestimmen. Damit kann zu jedem Wert des Hubes z die Eigenschaft des elektromagnetischen Teilsystems 16 passend bestimmt werden. So werden die mathematisch relativ wenig aufwändigen Teilsysteme 16, 17 über Größen gegenseitiger Beeinflussung miteinander gekoppelt. Dabei ist die vorgenommene Trennung des elektromechanischen Gesamtsystems des Aktuators 1 in die Teilsysteme 16, 17 mit sehr großer Allgemeinheit und dementsprechend großem Gültigkeitsbereich vorgenommen worden. Durch Linearisierungen bedingte Fehler weisen daher einen nur sehr geringen Einfluss auf und sind zudem im Wesentlichen auf das elektromagnetische Teilsystem 16 beschränkt, da das mechanische Teilsystem 17 von sich aus bereits linear ist. Das Modell für das Gesamtsystem des Aktuators 1 ist damit in die Teilsysteme 16, 17 aufgetrennt worden, die ihrerseits vergleichsweise einfach modelliert bzw. durch Gleichungssysteme niedriger Ordnung beschrieben und mit jeweils einem Beobachter 18, 19 versehen werden. Auf eine konkrete Darstellung des Aufbaus eines der Teilsysteme 16, 17 mit einem jeweiligen Beobachter 18, 19 wird unter Hinweis auf Standard-Literatur der Regelungstechnik und auch die Offenbarung der DE 198 34 548 A1 verzichtet.
In einem alternativen und hier nicht weiter in der Zeichnung dargestellten Ansatz wird auf der Basis der vorstehend erhaltenen Gleichungen bzw. des Gleichungssystems ein Verfahren der Systemidentifikation bzw. Modelladaption durchgeführt. Es wird dazu ein System gekoppelter Differenzialgleichungen aufgestellt, deren Koeffizienten empirisch ermittelt und vorzugsweise nachfolgend im Einzelfall numerisch abgeglichen werden. Wiederum wird in einem ersten Ansatz unter Berücksichtigung der Wirbelströme I_e im Anker 4 aus der Kenntnis des mathematischen Verhaltens ähnlicher Systeme auf der Basis einer Modellformulierung eine Optimierung durchgeführt. Das mechanische Teilmodell 17 für Hub z und Geschwindigkeit v wird wiederum als 2 × 2 Matrix und das elektromagnetische Teilmodell 16 für zwei Zustandsgrößen λ₁, λ₂ durch eine andere 2 × 2 Matrix nachgebildet. Das Gleichungssystem zur Kopplung der Größen hat dann beispielsweise folgenden ungefähren Aufbau:
Der Koeffizient b₂₁ ist dabei zu Null gesetzt worden, da sich physikalisch keine direkte Wirkung einer äußeren Spannung U auf den Ankerfluss Φ_a ergeben kann. Der Koeffizient a₂₂ ist in seiner Größe variabel und von dem Luftspalt ρ abhängig, so dass der Koeffizient a₂₂ insgesamt vom Hub z abhängig ist.
In einem Ansatz werden die Zustandsgrößen λ₁, λ₂ als Ankerfluss Φ_a und Jochfluss Φ_c identifiziert bzw. angesetzt, so dass sich der vorstehend genannte Zusammenhang zwischen Magnetkraft F_mag und Ankerfluss Φ_a als Kopplung zwischen den Teilsystemen 16, 17. Alternativ wird für λ₁ der Strom I und für
gewählt. In diesem Fall werden die sonstigen freien Parameter, die teilweise vom Hub z abhängig sind, durch Messungen ermittelt.
Auf der Kenntnis der überprüften Schätzwerte für v und a aufbauend können nun durch den Fachmann in geeigneter Weise angepasste Regelungen beispielsweise basierend auf den Offenbarungen von in den Druckschriften EP 0 973 178 A2 , DE 198 34 548 A1 und DE 100 12 988 A1 vorgestellten Methoden und Regelungsverfahren eingesetzt werden. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie und Regler. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve z(t) des Ankers 4 des Aktuators 1 zwischen den Polflächen 12, 13 der beiden Elektromagnetspulen 8, 9.
Damit sind insgesamt zwei Ansätze beschrieben worden, durch die auf unterschiedlichen Wegen eine vergleichsweise genaue Steuerung der Bewegung von Gaswechsel-Hubventilen 3 über den Aktuator 1 und mithin eine einwandfreie Motorfunktion durch exakte Ventilsteuerung sichergestellt wird. Diese Steuerung des Ventils 3 arbeitet auf der Grundlage eines aufgeteilten mathematischen Modells bei insgesamt gemindertem Aufwand und erlaubt zur Steigerung der Genauigkeit zudem eine Berücksichtigung des Wirbelstromes I_e im Anker 4. Dabei bewirkt diese Berücksichtigung des Wirbelstromes I_e im Anker 4 eine in der Regelung kaum feststellbare zeitliche Verzögerung der Magnetkraft F_mag gegenüber dem Strom I.

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: Joch
15: Beobachter
16: elektro-magnetischer Teil/elektro-magnetisches Teilsystem
17: mechanischer Teil/mechanisches Teilsystem
18: Beobachter für das elektro-magnetische Teilsystem
19: Beobachter für das magnetische Teilsystem
I: elektrischer Strom durch die Spulen 8, 9
I_e: Wirbelstrom im Anker 4
K: Beobachter-Verstärkung
ΔI: Längenänderung zur Federeinstellung
N: Windungszahl
R_a: magnetischer Widerstand des Ankers (4)
R_c: magnetischer Widerstand des Jochs (14)
R_z: magnetischer Widerstand des Luftspalts ρ
R_w: magnetischer Widerstand des Streufeldes im Luftspalt ρ
t: Zeit
U: an den Spulen 8,9 angelegte äußere Spannung
z: Wegkoordinate des Ankers 4/Hub
z₁: Zwischenwert des Hubes
Φ: magnetischer Fluss
Φ_a: magnetischer Fluss im Anker (4)
Φ_c: magnetischer Fluss im Joch (14)
Φ_w: magnetischer Streufluss im Luftspalt (ρ)

Claims

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 Beobachter (15) aus einem Modell des Aktuators (1) gespeist wird, in dem für einen mechanischen Teil und einen elektrischen Teil des Aktuators (1) je ein getrenntes Modell (16, 17) ausgewertet wird und die getrennten Modelle (16, 17) miteinander gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entwurf des Beobachters (15) mit Hilfe einer Eigenwertvorgabe jeweils für beide Teilsysteme (16, 17) einzeln erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub (z) und die Magnetkraft (F_mag) die getrennten Modelle (17, 18) koppeln.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein dem Anker (4) jeweils näher liegende Elektromagnet (8, 9) durch das Modell des elektrischen Teils (18) des Aktuators (1) nachgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teilsysteme (16, 17) durch jeweils eigene Beobachter (18, 19) geregelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschreibung des Aktuators (1) nach einem Verfahren der Systemidentifikation bzw. Modelladaption mit Zuweisung der Zustandsgrößen und empirischer und/oder numerischer Bestimmung freier Koeffizienten durchgeführt wird.
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) aufweist, zwischen denen der Anker verschieblich ist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Zustandsschätzer (15) aufweist, der für einen mechanischen Teilsystem (16) und einen elektrischen Teilsystem (17) des Aktuators je ein getrenntes Modell umfasst, die zu einem Modell (15) miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass den Teilsystemen (16, 17) jeweils eigene Beobachter (18, 19) zugeordnet sind.