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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
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 100 14 113 A1 bekannt.
Hierbei wird bereits berücksichtigt,
dass sich die Elektromagnet-Spulen über gemeinsame Magnetkreisstrecken
gegenseitig beeinflussen können.
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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 Zur Aufteilung der Reaktionskräfte in Zug-
und Biegespannungen ist es weiter bekannt, die Abstützflächen der
Bremsträgerhörner radial
ausgerichtet schräg
verlaufend auszubilden.
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In
jedem Fall ist eine axiale Bewegung des Bremsbelages zur Bremsscheibe
hin möglich,
so dass beim Zuspannen der Bremse die Bremsbeläge ungehindert gegen die Bremsscheibe
gepresst werden. Nach Beendigung der Bremsung nimmt der Bremssattel
wieder seine kraftfreie Ausgangsposition ein, während die Bremsbeläge, insbesondere
der reaktionsseitige, der axial, also in Zuspannrichtung im Belagträgerschacht
frei beweglich ist, drucklos an der Bremsscheibe anliegen.
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Durch
das ständige
Schleifen des anliegenden Bremsbelages an der Bremsscheibe während des Fahrbetriebs
entsteht ein erhöhter
Verschleiß sowohl
des Bremsbelages wie auch der Bremsscheibe ebenso wie ein zusätzlicher
Kraftstoffverbrauch, der sich betriebskostensteigernd auswirkt.
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Dabei
kann durch ein durchaus mögliches Überschreiten
des zulässigen
Schleifmoments die Bremsscheibe bzw. der Bremsbelag heiß laufen.
Naturgemäß wird hierdurch
die Standzeit der Scheibenbremse bzw. der relevanten Funktionsteile
um einen wesentlichen Faktor herabgesetzt.
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Neben
diesen rein funktionalen Nachteilen sind auch Herstellungsnachteile
zu beklagen, insbesondere weil die Abstützflächen der Bremsträgerhörner bzw.
im Bremssattel mechanisch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch
Fräsen,
was insgesamt kostenintensiv ist.
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Eine
gattungsgemäße Scheibenbremse
ist aus der
GB 11 65 967 bekannt.
Dabei wird der Bremsbelag mittels Schrauben am Bremssattel befestigt,
während
eine formschlüssig
in den Bremssattel eingreifende Verstärkungsplatte, die fest mit
der Belagträgerplatte
verbunden ist, deren Versteifung dient.
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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 einerjeweiligen 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 A1 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 Ventil-
schließfeder 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 Δl im Bereich
der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen
werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems
ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt
an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im Folgenden
auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird,
nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner
geöffneten
Position hält.
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In
einer in der Abbildung von 2 dargestellten
zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 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:
- 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:
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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:
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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
- l1
- Spulenstrom
- u1
- äußere Spannung an der jeweiligen
Spule 8, 9
- Fmag
- Magnetkraft des ersten
Aktuators als nichtlineare Funktion von z1,
i1, 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:
- 1.
Schritt: Regelung der Mechanik
Die Berechnung der Magnetkräfte F ∼1, F ∼2 erfolgt in völlig analoger
Weise zu der Berechnung am Einzelaktuator.
- 2. Schritt: Regelung des Spulenstroms
Es wird ein Spulenstrom i ∼1 berechnet, der nötig wäre, um bei den aktuellen Hüben z1, z2 und dem aktuellen Spulenstrom
i2 die Magnetkraft F ∼1 =
Fmag(z1, i ∼1, 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 i ∼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 A1 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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Bezugszeichenliste
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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
- Δl :
Längenänderung
zur Federeinstellung
- L : Länge
- U : äußere Spannung
an der jeweiligen Spule (8, 9)
- K : Beobachterverstärkung
- i : Spulenstrom
- i ∼ : nach Vorgaben berechneter Spulenstrom
- v : Geschwindigkeit des Ankers (4)
- t : Zeit
- x : Vektor zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes
- ẋ : Ableitung des Vektors
- :
Schätzwert
- :
Ableitung des Schätzwertes
- y : Vektor von Messwerten
- ẏ : Ableitung des Vektors von Messwerten
- z : Wegkoordinate bzw. Hub des Ankers 4
- Δz :
Differenzwert zur maximalen Öffnung