DE10257693A1

DE10257693A1 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE10257693A1
Application number: DE10257693A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Reif
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: DE10257693B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird. DOLLAR A Um ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Einstellung einer Periodendauer zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Aktuator (1) mit mindestens einem zweiten Aktuator (1) für einen gemeinsamen Zylinder zusammen derart geregelt wird, dass sich eine vorgegebene Soll-Öffnungskurve (z(t)) aus einer Überlagerung der Öffnungskurven der beiden einzelnen Aktuatoren (1) ergibt.

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 zumindest einer Rückstellfeder vorzugsweise 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es besteht daher die Aufgabe, bekannte Verfahren und dementsprechende Vorrichtungen unter Verbesserung der Regelungsgenauigkeit insbesondere bei einem Einsatz in modernen Verbrennungskraftmotoren weiterzubilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen Aktuators in einer geöffneten Endlage in dem Betriebszustand "Vollhub";
2: eine Darstellung des Aktuators von 1 in einer geschlossenen Endlage und
3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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
F_mag Magnetkraft als nichtlineare Funktion von z und i sowie
α, β als nichtlineare Funktionen von z, v und i, die von dem Magnetmodell abhängen.
Der Entwurf der Regelung wird in zwei Schritte untergliedert:
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.
2. Schritt: Regelung des Spulenstroms
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:
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:
v₁ Geschwindigkeit des Ankers 4
z₁ Wegkoordinate bzw. Hub des Ankers 4
c positive Konstante: Federkonstante
d positive Konstante: Dämpfungskonstante
i₁ Spulenstrom
u₁ 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.
Analog dazu sind die Größen für den zweiten Aktuator definiert.
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:
1. Schritt: Regelung der Mechanik
Die Berechnung der Magnetkräfte FF₁ , FF₂ erfolgt in völlig analoger Weise zu der Berechnung am Einzelaktuator.
2. Schritt: Regelung des Spulenstroms
Es wird ein Spulenstrom ii₁ berechnet, der nötig wäre, um bei den aktuellen Hüben z₁, z₂ und dem aktuellen Spulenstrom i₂ die Magnetkraft FF₁ = F_mag(z₁ ,ii₁ ,z₂,i₂) 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 i₁ größer oder kleiner als der Strom ii₁ ist:
Die Berechnung der Spulenspannung u₂ des zweiten Aktuators erfolgt in völlig analoger Weise.
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.
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.
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.

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

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, wobei über einen Beobachter (16) unter Rückgriff auf ein mathematisches Modell (15) des Aktuators (1) Schätzwerte (x ^) für eine Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Ankers (1) sowie für die Anker-Beschleunigung (a) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Modellbildung für den Beobachter (16) sich gegenseitig beeinflussende Aktuatoren (1) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) mit mindestens einem zweiten Aktuator (1) für einen gemeinsamen Zylinder betrachtet und somit unter Berücksichtigung beispielsweise eines Bestromungszustandes mindestens eines zweiten Aktuators (1) zusammen geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge der Modellbildung im wesentlichen jede Form von Querbeeinflussung erfasst wird, die insbesondere auf elektromagnetischer Art und Weise zwischen benachbarten Aktuatoren (1) auftritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (15, 17) für eine Regelungseinrichtung auf eine spezielle Aktuator-Bauform in Form eines Doppelaktuators angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ und/oder zusätzlich für den Beobachter (16) andere Größen als das Hubsignal (z) als Rückkopplungssignal (y) verwendet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Rückführ-Größen (y) für den Beobachter (16) der Strom (1), die Anker-Geschwindigkeit (v), der magnetische Fluss (Φ) oder Kombinationen aus diesen Größen eingesetzt werden, vorzugsweise in Form von Vektoren.
Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), in dem der Anker (4) axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) verschieblich angeordnet ist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.