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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 zumindest einer Rückstellfeder vorzugsweise durch
alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
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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 oder eine Schaltzeitspanne 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.
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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 Polfläche 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.
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Ein elektromagnetischer Aktuator
kann in bekannter Weise so angetrieben werden, dass der Anker in beiden
Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit bzw. Anlage an 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
des Aktuators eingeleitet wird, was beispielsweise durch ein Unterbrechen
des Stroms oder durch eine Stromumkehr im Haltemagneten bewirkt
werden kann.
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Von dem vorstehend beschriebenen
Betriebsmodus, dem sog. "Vollhub"-Betrieb, ist ein
Betrieb des elektromagnetischen Aktuators im sog. "Freiflug"-Betrieb zu unterscheiden.
Beim Freiflug wird beispielsweise auf eine Bestromung der fangenden
Elektromagnet-Spule verzichtet, wenn sich der Anker dem Joch bzw.
der Polfläche
des fangenden Elektromagneten nähert.
Der Anker setzt daher im Gegensatz zum "Vollhub" im "Freiflug"-Betrieb nicht auf,
sondern er ändert
seine Richtung und fliegt noch bevor er das Joch erreicht zurück. Mit dem "Freiflug"-Betrieb lässt sich
so eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers erzielen
und eine entsprechend kurze Öffnungszeit
einstellen. Auch sind weitere für
ihre jeweiligen Anwendungsfälle
vorteilhafte Betriebsmodi als Übergänge zwischen "Freiflug"- und "Vollhub"-Betrieb beispielsweise
in der nicht vorveröffentlichten
Deutsche Patentanmeldung 102 05 389.8 und einer darauf aufbauenden
Patentanmeldung beschrieben.
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Eine wesentliche Aufgabe bei der
Steuerung der Bewegung eines Ankers bei einem sog. elektromagnetischen
Ventiltrieb EVT besteht in allen Betriebsmodi in der möglichst
genauen, einer jeweiligen Anforderung entsprechenden Einstellung
einer jeden Periodendauer, binnen welcher der Anker zwischen den
zwei Elektromagnet-Spulen
hin- und herbewegt wird. 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 Todpunktes, der
mit oder ohne Aufsetzen des Ankers auf einer jeweiligen Polfläche des
jeweils bestromten Elektromagneten realisiert werden kann.
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Bei einem vorstehend beschriebenen
Verfahren wird nach dem Stand der Technik mit einer Annäherung des
Ankers an die zunächst
bestromte Spule während
des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden
Spule anliegende elektrische Spannung unter Rückgriff auf Messwerte für die aktuell
festgestellte Anker-Position sowie für den in der einfangenden Spule
festgestellten Stromfluss geregelt. Jedem regelnden Eingriff zur
Verbesserung bzw. Kontrollierung und Steuerung der sog. Endphasenbewegung
kurz vor einem möglichen
Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden
Elektromagnet-Spule liegt daher 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
des Ankers ist i.d.R. nicht möglich.
Aus festgestellten Messwerten werden daher über einen sog. Beobachter unter
Rückgriff
auf ein mathematisches Modell des Aktuators Schätzwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit
des Ankers sowie für
die Anker-Beschleunigung ermittelt. Gemäß der Lehre der
DE 198 34 548 A1 wird ein
schnell arbeitender Beobachter als ein erweitertes Kalman-Filter
mit konstanter Verstärkung ausgeführt, welches
zur Verbesserung der Schätzwerte
neben den genannten festgestellten Messwerten eine jeweilig aktuelle
Ankerposition zusätzlich
die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung verarbeiten
kann.
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In der praktischen Erprobung sind
jedoch gerade bei einem Einsatz vorstehend beschriebener Reglungsverfahren
in modernen Verbrennungskraftmotoren zu hohe Regelabweichungen festgestellt
worden. Eine jeweilige Sollkurve wurde nur relativ schlecht eingehalten,
wobei insbesondere die Geschwindigkeit des Ankers als zu hoch festgestellt
worden ist.
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Es besteht daher die Aufgabe, bekannte
Verfahren und dementsprechende Vorrichtungen unter Verbesserung
der Regelungsgenauigkeit insbesondere bei einem Einsatz in modernen
Verbrennungskraftmotoren weiterzubilden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und
7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich
demnach dadurch aus, dass bei einer Modellbildung für einen
Beobachter sich gegenseitig beeinflussende Aktuatoren in einer Regelungseinheit
berücksichtigt werden.
Der Aktuator wird demnach mit mindestens einem zweiten Aktuator
für einen
gemeinsamen Zylinder betrachtet und somit unter Berücksichtigung
beispielsweise eines Bestromungszustandes mindestens eines zweiten
Aktuators zusammen geregelt. Aus dem parallelen Betrieb der mindestens
zwei Aktuatoren resultierende Störungen
werden damit im Rahmen der Modellierung direkt mit berücksichtigt,
so dass die unter Mitwirkung des Modells ermittelten Schätzwerte
zu einer wesentlichen Verbesserung der Regelungsgenauigkeit des
Gesamtsystems führen.
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Damit wird in einem Regelungskonzept
erfindungsgemäß bei der
Modellbildung nicht mehr nur der einzelne Aktuator mit einem zugeordneten
Hubventil betrachtet. Es wird durch eine Berücksichtigung mindestens eines
weiteren Aktuators im Zuge der Modellbildung auch im wesentlichen
jede Form von Querbeeinflussung erfasst, die insbesondere auf elektro-magnetischer
Art und Weise zwischen benachbarten Aktuatoren auftritt. Es wird
erfindungsgemäß damit
erstmals der Tatsache Rechnung getragen, dass moderne Verbrennungskraftmaschinen
i.d.R. als Mehrventilmotoren ausgeführt werden. So werden derzeit
in aktuellen Kraftfahrzeugen z.B. 3V-, 4V- und 5V-Motoren und 6V-Anordnungen
in Motoren für
Rennsportwagen eingesetzt. Bei ungerader Anzahl von Ventilen werden
aus Gründen
vergleichsweise günstigerer
Strömungsverhältnisse
beim Auslassvorgang mehr Einlass- als Auslassventile vorgesehen,
da ein Auslass von Gasen aus einem Zylinderinnenraum durch die Verbrennungsgase
selber stets druckunterstützt
erfolgt, wohingegen ein Einlassvorgang rein auf einer Saugwirkung
des Motors und/oder einer Oszillation der Gassäule in dem Zylinderinnenraum
beruht. Diese gegenüber
dem Auslassvorgang wesentlich schwächeren Effekte treten jedenfalls
immer dann unterstützend
aus, wenn den Einlassventilen kein Turbolader vorgeschaltet ist.
Daher sind aktuell in der Regel mindestens zwei Einlassventile je
Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
wird eine Regelungseinrichtung auf eine spezielle Aktuator-Bauform
angepasst, die in Tests besonders hohe Regelabweichungen zeigte.
Der stark begrenzte Bauraum und konstruktive Erfordernisse an einer
Verbrennungskraftmaschine machen häufig eine Ausführung des
elektromagnetischen Ventiltriebs in Form eines Doppelaktuators erforderlich.
Hierbei sind die gegenseitigen Beeinflussungen schon aufgrund einer
unmittelbaren räumlichen
Nähe der
Elektromagneten der jeweiligen Aktuatoren und eines gemeinsamen
Eisenkreises sehr hoch.
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Die Regelung erfolgt in an sich bekannter
Weise, wobei nun auf der Grundlage eines erfindungsgemäßen Modells
diese gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt wird, wie in den
Unteransprüchen
und anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Darstellung der Modellbildung im Detail ausgeführt und
präzisiert
ist.
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Eine für die Regelung ausreichend
genaue und schnelle Messung der Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung
des Ankers ist i.d.R. problematisch. Dabei ist bekannt, das ein
Ausgangssignal eines Hubsensors stark verrauscht und/oder durch
zusätzliche äußere Störungen verfälscht ist.
Zudem ist das Ausgangssignal des Hubsensors mit einem Offset-Anteil
beaufschlagt, der je Aktuator variiert und in sofern immer dann noch
separat bestimmt werden muss, wenn der Offset-Anteil prinzipbedingt
bekannt sein muss. Damit ist auch eine absolute Messung eines aktuellen
Hubes als Grundlage für
ein Regelungsverfahren allein i.d.R. nicht ausreichend zuverlässig oder
nur mit erheblichen Aufwand durchführbar. Gerade in modernen Mehrventilmotoren ist
jedoch der Bauraum stark beschränkt,
so dass nicht beliebig viele Sensoren an einem Zylinder eingesetzt und
bei störungsarmen
Signalabgriff sicher mit Energie versorgt werden können.
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Unter Rückgriff auf die mathematischen
Modelle der Patentanmeldung
DE 198 34 548 A1 und des in Teilmodelle geteilten
Aktuator-Models der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 102 44 335.1 werden jeweils
Beobachter aufgebaut, die hinsichtlich ihrer Genauigkeit ihrer Schätzwerte
insbesondere vor dem Hintergrund der voranstehenden Beschreibung
von Zuständen
in Mehrventilmotoren noch verbessert werden können. In einer Weiterbildung
der Erfindung wird ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine
dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Bestimmung von nicht
oder nur schwer messbaren Werten bzw. Parametern auf der Grundlage
der Lehren der
DE
198 34 548 A1 und/oder der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 102 44 335.1 dadurch
weitergebildet, dass alternativ und/oder zusätzlich andere Größen als
das Hubsignal als Rückkopplungssignal
für den
Beobachter verwendet werden, wie anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf eine Abbildung der nachfolgenden Zeichnung
noch im Detail beschrieben wird. Damit sind, insbesondere in Anpassung
auf die jeweiligen Gegebenheiten, auch andere Entwurfskriterien
für die
Beobachterverstärkung
realisierbar. So können
in Ausführungsformen
nunmehr als Rückführ-Größen auch der
Strom, die Anker-Geschwindigkeit, der magnetische Fluss oder Kombinationen
aus diesen Größen eingesetzt
werden, vorzugsweise in Form von Vektoren. Somit können sogar
unter Verzicht auf Sensoren, insbesondere ein Verzicht auf je einen
Hubsensor je Zylinder, prinzipiell möglich.
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In geeigneter Weise angepasste Regelungen
können
im Weiteren durch den Fachmann beispielsweise Methoden und Regelungsverfahren
eingesetzt werden, die auf den Offenbarungen der Druckschriften
EP 0 973 178 A2 ,
DE 198 34 548 A1 und
DE 100 12 988 A1 vorgestellten
Verfahren basieren. Die wesentlichen Elemente derartiger Regelungen
sind ein Regler und eine vorgegebene Solltrajektorie. 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
des Ankers im Bereich einer der Polflächen der beiden Elektromagnet-Spulen.
Vorliegend werden jedoch erfindungsgemäß selbstverständlich mindestens
zwei Aktuatoren betrachtet.
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Bevorzugt enthält dabei diese Soll-Trajektorie über bzw.
in Abhängigkeit
von der Zeit Werte für
die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet
werden. Weiter sind Werte für
die Geschwindigkeit des Ankers und für dessen Beschleunigung angegeben.
Es handelt sich in einem Fall also quasi um eine einfache Wertetabelle,
die in einer Ausführungsform
der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt
ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird
nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen
Aktuators in einer geöffneten
Endlage in dem Betriebszustand "Vollhub";
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2:
eine Darstellung des Aktuators von 1 in
einer geschlossenen Endlage und
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3:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beobachters.
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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 Hubventiles 3 und des Aktuators 1. In dieser
Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben,
das Hubventil 3 ist hier maximal geöffnet worden. 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 nur 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 über
den der Anker 4 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 Ventilteller 5 des Hubventils 3.
An dem Ende des Stößels 10,
das dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 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 Aktuator-Anordnung 1 handelt
es sich um ein schwingungsfähiges
mechanisches System, für
das die Ventilschließfeder 7 und
die Ventilöffnungsfeder 11 gegenüber dem
Anker 4 als Masse eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden. Je nach Federkraft kann in dieser Ausführungsform eine Feineinstellung über eine
Länge ΔI im Bereich
der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen
werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systemsist
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 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des
Aktuators 1 liegt aufgrund einer genau passenden Dimensionierung
einer Länge
L 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 also 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. Zwischen den
in den Abbildungen der 1 und 2 dargestellten Zuständen wird
der Anker 4 nach Art einer Oszillationsbewegung hin- und
herbewegt.
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Beim Durchlaufen einer halben Periode
dieser Oszillationsbewegung im Betriebsmodus "Vollhub" nähert
sich der Anker 4 im sog. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf
einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und
Abbremsung mit ihren näherungsweise
parabelförmigen
Teilverläufen
insgesamt ungefähr
S-förmig
ist. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule 8 wird
derart bestromt, dass der Anker 4 die Polfläche 12 erreicht,
zu einem Zeit punkt aufsetzt und dort verweilt. Die Verweilphase dauert
so lange, bis ein Ablösen
des Ankers 8 von der Polfläche 12 durch ein geeignetes
Bestromen der entsprechenden Spule z.B. durch Unterbrechung des
Stromes oder Stromumkehr zu einem Einleitungszeitpunkt eingeleitet
wird. Das Ablösen
des Ankers 4 geschieht in der Regel erst zu einem Lösezeitpunkt
und damit zeitlich verzögert
gegenüber
dem Einleitungszeitpunkt mit dem Beginn einer veränderten
Bestromung der Spule 8. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt
und weist einen in der Regel für
jeden Aktuator 1 individuellen und ungefähr gleich
bleibenden Wert auf.
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Bei dem Betriebsmodus "Freiflug" wird dagegen in
einer Ausführungsform
auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule 8 verzichtet,
wenn sich der Anker 4 der Polfläche 12 nähert. Der
Anker 4 setzt daher nicht auf, sondern er ändert seine
Richtung in einem Abstand Δz
von einer Endlage entfernt und fliegt zurück, also noch bevor er die
Polfläche 12 erreicht.
Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 besteht
also beim "Freiflug" lediglich aus der
Zeit, die der Anker 4 benötigt, eine um Δz verminderte
Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden
und wieder zurück
zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen und
einem dazwischen liegenden Flugstrecke des Ankers 4 kommt
jedoch mindestens noch die Klebzeit hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder
auf der Polfläche 13 eines
Jochs 14 vom Schließer-Magneten 9 aufsetzt.
Mit dem "Freiflug" lässt sich
eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 erzielen,
da keine Klebzeit als additive Verzögerung nicht fest einstellbarer
Größe auftritt.
Die kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug
des Ankers 4 wird jedoch damit erkauft, dass das Hubventil 3 um
ein Maß Δz vermindert geöffnet wird.
Es ist damit aus strömungstechnischen
Gründen
mit einer beeinträchtigten
Ventilfunktion mindestens in dem Fall zu rechnen, dass Zykluszeiten
oder Ventilöffnungszeiten Δt realisiert
werden sollen, die klein gegenüber
einer für
eine volle Öffnung
des Hubventils 3 notwendigen Zeit sind.
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Ein großer Nachteil des bisherigen
Standes der Technik besteht also darin, dass zur möglichst
genauen Einhaltung einer Sollkurve für die Bewegung des Ankers
4 in
den beiden vorstehend nur exemplarisch beschriebenen Betriebsfällen "Freiflug" und "Vollhub" eine sehr genaue
Kenntnis der jeweils aktuellen Werte der Größen Hub z, Geschwindigkeit
v und Beschleunigung a erforderlich ist. Dazu ist in der
DE 198 34 548 A1 ein Verfahren
vorgeschlagen worden, bei dem aus festgestellten Messwerten über ein
mathematisches Aktuatormodell
15 in einem sog. Beobachter
16 Schätzwerte x ^.
u.a. für
die Bewegungsgeschwindigkeit v des Ankers
4 sowie für die Anker-Beschleunigung
a ermittelt werden. Gemäß dieser
Lehre wird ein schnell arbeitender Beobachter
16 als ein
erweitertes Kalman-Filter mit einer konstanten Beobachter-Verstärkung K
ausgeführt,
welches zur Verbesserung der Schätzwerte
neben den genannten festgestellten Messwerten eine jeweilig aktuelle Ankerposition
z zusätzlich
die an die einfangende Spule angelegte elektrische Spannung U verarbeitet.
Eine schematische Darstellung dieses Beobachters
16 ist
in der Abbildung der
3 wiedergegeben.
Die Nomenklatur der
DE
198 34 548 A1 wird nachfolgend übernommen.
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Um das vorstehend erwähnte mathematische
Aktuatormodell
15 für
den Beobachter
16 entwerfen zu können wird nach dem Stand der
Technik das dynamische Verhalten des Aktuators
1 durch
folgende Differentialgleichungen beschrieben:
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Dabei wurden folgende Bezeichnungen
verwendet:
v Geschwindigkeit des Ankers 4
z Wegkoordinate
bzw. Hub des Ankers 4
c positive Konstante: Federkonstante
d
positive Konstante: Dämpfungskonstante
i
Spulenstrom
U äußere Spannung
an der jeweiligen Spule 8, 9
Fmag Magnetkraft
als nichtlineare Funktion von z und i sowie
α, β als nichtlineare
Funktionen von z, v und i, die von dem Magnetmodell abhängen.
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Der Entwurf der Regelung wird in
zwei Schritte untergliedert:
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1. Schritt: Regelung der
Mechanik
-
Es wird eine Magnetkraft F berechnet,
die nötig
wäre, um
in dem mechanischen Teilsystem das gewünschte Folgeverhalten entlang
einer vorgegebenen Solltrajektorie zu bewirken. Dies ist z.B. unter
Einsatz des Verfahrens der Eigenwertvorgabe, vgl. Otto Follinger:
Regelungstechnik, Hüthig,
Heidelberg 1994, möglich.
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2. Schritt: Regelung des
Spulenstroms
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Es wird ein Spulenstrom i berechnet,
der nötig
wäre, um
bei aktuellem Hub z die Magnetkraft F = F
mag (z, i )
zu bewirken. Nun wird an der Spule entweder eine äußere Spannung
U von +42V oder –42V
angelegt, je nachdem, ob der tatsächliche Spulenstrom i größer oder
kleiner als der Strom i ist:
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Bei diesem Modellierungsansatz bleibt
jedoch der Grad der erreichbaren Genauigkeit und Zuverlässigkeit
nicht für
jeden Anwendungsfall ausreichend. In einem Ansatz gemäß vorliegender
Erfindung wird daher zur Eliminierung negativer Einflüsse und
zur Erhöhung
der Regelungsgenauigkeit die Modellbildung und Regelung auf der
Basis mehrerer Aktuatoren betrachtet, die sich gegenseitig beeinflussen:
Um
das Prinzip zu erläutern
wird hier nur der Fall betrachtet, dass sich zwei benachbarte Aktuatoren
gegenseitig beeinflussen. Der allgemeine Fall mit mehr als zwei
Aktuatoren kann völlig
analog behandelt werden. Das dynamische Verhalten von zwei Aktuatoren,
die sich gegenseitig beeinflussen, wir durch folgende Differentialgleichungen
beschrieben:
Dabei wurden folgende Bezeichnungen
verwendet:
v
1 Geschwindigkeit des Ankers
4
z
1 Wegkoordinate bzw. Hub des Ankers
4
c
positive Konstante: Federkonstante
d positive Konstante: Dämpfungskonstante
i
1 Spulenstrom
u
1 äußere Spannung
an der jeweiligen Spule
8,
9
F
mag Magnetkraft
des ersten Aktuators als nichtlineare Funktion von z,, i, sowie
z2 und i2
α, β als nichtlineare
Funktionen von z, v und i, die von dem Magnetmodell abhängen.
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Analog dazu sind die Größen für den zweiten
Aktuator definiert.
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Der Entwurf der Regelung wird wie
nach dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik, der mit der
Berücksichtigung
nur eines Aktuators arbeitet, in zwei Schritten durchgeführt:
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1. Schritt: Regelung der
Mechanik
-
Die Berechnung der Magnetkräfte FF1
, FF2
erfolgt in
völlig
analoger Weise zu der Berechnung am Einzelaktuator.
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2. Schritt: Regelung des
Spulenstroms
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Es wird ein Spulenstrom ii
1
berechnet, der nötig wäre, um bei den aktuellen Hüben z
1, z
2 und dem aktuellen
Spulenstrom i
2 die Magnetkraft FF
1
= F
mag(z
1 ,ii
1
,z
2,i
2) an dem Anker
4 des ersten Aktuators
1 zu
bewirken. Nun wird an der Spule des ersten Aktuators
1 entweder
eine äußere Spannung
U von +42V oder -42V angelegt, je nachdem, ob der tatsächliche
Spulenstrom i
1 größer oder kleiner als der Strom ii
1
ist:
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Die Berechnung der Spulenspannung
u2 des zweiten Aktuators erfolgt in völlig analoger
Weise.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird auf diesen Schritt aufbauend die Lehre der nicht
vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 102 05 385.5 mit
einer Dreipunkt-Regelungskurve mit der Einführung eines neutralen Bereiches
ohne Regelungseingriff zur Minderung der Regelungsintensität angewendet.
Im Übergangsbereich
wird die Regelung als sog. Modale Regelung berechnet, also als Regelung
für ein System
mit mehreren Eingangsgrößen, wobei über jede
Eingangsgröße jeweils
ein Eigenwert vergeben wird, siehe z.B. Otto Föllinger, Regelungstechnik,
8.Auflage, Heidelberg, Hüthig,
1994. Hier soll jedoch nur der Verweis auf den Inhalt dieser weiteren
und hier in Ergänzung
vorteilhaft angewendeten Lehre mit Verweis auf die Offenbarung dieser
Schrift erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt eine Rückführung fast
beliebiger Messgrößen in Form
der Größe y im
Rückkopplungsast
zur Speisung des Beobachters 16. Alternativ und/oder zusätzlich werden
hier als neue Entwurfskriterien für den Beobachter 16 andere
Größen als
das Hubsignal z als Rückkopplungssignal
y verwendet. Damit sind, insbesondere in Anpassung auf die jeweiligen
Gegebenheiten, auch andere Entwurfskriterien für die Beobachterverstärkung realisierbar.
So werden in Ausführungsformen nunmehr
als Rückführ-Größen y auch
der Strom i, die Anker-Geschwindigkeit v, der magnetische Fluss Φ oder Kombinationen
aus diesen Größen eingesetzt.
Als derartige Kombinationen kommen vorzugsweise die Vektoren [v,
i]T oder [v, Φ] T in
Betracht. Somit ist je nach Auswahl der Rückführgrößen y sogar auch ein Verzicht
auf bestimmte Sensoren oder Typen von Sensoren, insbesondere ein
Verzicht auf je einen Hubsensor je Zylinder, prinzipiell möglich. An
deren Stelle treten je nach Bedarf Hall-Sensoren zur Messung des
magnetischen Flusses Φ oder
Stromsensoren an den Anschlüssen
des Elektromagnet-Spulen.
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Damit ist insgesamt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
erstmals ein Regelungsverfahren vorgeschlagen worden, das einen
Einsatz in modernen Mehrventilmotoren mit wesentlich gesteigerter
Zuverlässigkeit
der Schätzwerte
und somit eine Verbesserung der Regelungsgenauigkeit von Hubventilansteuerungen und
den angekoppelten Aktuatoren ermöglicht.
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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
- Joch
- 15
- Aktuatormodell
- 16
- Beobachter
- 17
- Abbild
des Aktuatormodells (15)
- α, β
- nichtlineare
Funktionen
- a
- Beschleunigung
des Ankers (4)
- c
- positive
Konstante: Federkonstante
- d
- positive
Konstante: Dämpfungskonstante
- f
- mathematische
Funktion
- h
- mathematische
Funktion
- F
- Magnetkraft,
zu bestimmen
- ΔI
- Längenänderung
zur Federeinstellung
- L
- Länge
- U
- äußere Spannung
an derjeweiligen Spule (8,9)
- K
- Beobachterverstärkung
- i
- Spulenstrom
- ii
- nach
Vorgaben berechneter Spulenstrom
- v
- Geschwindigkeit
des Ankers (4)
- t
- Zeit
- x
- Vektor
zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes
- x .
- Ableitung
des Vektors
- z
- Schätzwert
- z ^
- Ableitung
des Schätzwertes
- y
- Vektor
von Messwerten
- y .
- Ableitung
des Vektors von Messwerten
- z
- Wegkoordinate
bzw. Hub des Ankers 4
- Δz
- Differenzwert
zur maximalen Öffnung