DE10315584A1 - Operating method for electromagnetic actuator e.g. for gas exchange valve of internal combustion engine, by comparing actual current with reference value and regulating current accordingly - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a method for actuating a electromagnetic actuator with the features of the preamble of claim 1.
Aus der WO 99/34378 ist eine Einrichtung zum Steuern eines elektromechanischen Stellgeräts bekannt, bei der das Stellgerät ein Stellglied und einen Stellantrieb aufweist. Das Stellgerät ist dabei als elektromagnetischer Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils bei einer Brennkraftmaschine ausgestaltet. Das Stellgerät umfasst ein Stellglied, also hier ein Gaswechselventil, und einen Stellantrieb, der zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete aufweist, die jeweils mit einer Spule ausgestattet sind. Ein zwischen den Elektromagneten verstellbar gelagerter Anker ist mit dem jeweiligen Ventil antriebsverbunden und mittels Rückstellfedern in einer Ruheposition vorgespannt. Im Betrieb wird der Anker mit Hilfe der Elektromagnete zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegt, in denen er jeweils an einem der Elektromagnete anliegt. Die Verstellbewegungen erfolgen dabei mit einer hohen Dynamik, da sehr kurze Schaltzeiten rea lisiert werden müssen. Um eine störende Geräuschentwicklung und einen erhöhten Verschleiß beim Anlegen des Ankers am Elektromagneten zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Stellbewegung des Ankers so zu steuern, dass dieser beim Anlegen am Elektromagneten möglichst „weich" landet, d.h. im Zeitpunkt der Kontaktierung soll eine möglichst geringe Relativgeschwindigkeit zwischen Anker und Elektromagnet vorliegen.Out WO 99/34378 is a device for controlling an electromechanical Actuator known at which the actuator has an actuator and an actuator. The actuator is included as an electromagnetic valve train for actuating a gas exchange valve designed in an internal combustion engine. The actuator includes an actuator, here a gas exchange valve, and an actuator, the two opposite each other Has electromagnets, each equipped with a coil are. An armature adjustable between the electromagnets is drive-connected to the respective valve and by means of return springs biased in a rest position. In operation, the anchor is with With the help of the electromagnets back and forth between two end positions moves, in which it abuts one of the electromagnets. The adjustment movements take place with a high dynamic, since very short switching times must be implemented. To a disturbing noise and an elevated Wear at To avoid placing the armature on the electromagnet, it is desirable to to control the actuating movement of the armature so that it is attached lands on the electromagnet as "softly" as possible, i.e. in The time of contact should be the lowest possible relative speed between armature and electromagnet.
Bei der bekannten Steuerungseinrichtung wird ein weicher bzw. sanfter Aufprall des Ankers am Elektromagneten dadurch erreicht, dass während der Bewegung des Ankers der Strom durch die Spule in Abhängigkeit vom Absolutwert und der zeitlichen Ableitung des Stromes gesteuert wird. Eine aufwändige Positionssensorik ist dabei nicht erforderlich. Im einzelnen wird dazu zunächst im Freilaufbetrieb der Spule der Strom durch die Spule erfasst. Desweiteren wird die zeitliche Ableitung des Stroms durch die Spule ermittelt. Anschließend wird ein Quotient aus dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Strom gebildet. Danach wird dieser Quotient mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Die bekannte Vorgehensweise beruht auf der Überlegung, dass die Geschwindigkeit des Ankers mit dem Quotienten aus dem Strom und der zeitlichen Ableitung des Stroms korreliert. Dementsprechend kann durch Vergleichen mit einem vorgegebenen Grenzwert festgestellt werden, ob der Anker im jeweiligen Zeitpunkt zu schnell oder zu langsam ist. Wird bei diesen Messungen festgestellt, dass der Anker zu schnell ist, wird der Spule zusätzlich Energie abgeführt. Falls der Anker zu langsam ist, wird der Spule mehr Energie zugeführt. Gleichzeitig wird permanent überprüft, ob der Strom durch die Spule oberhalb eines Mindeststroms liegt. Solange dies der Fall ist, wird die Quotientenbildung und Anpassung des Spulenstroms durchgeführt. Sobald jedoch der Mindeststrom unterschritten wird, werden zunächst ein erhöhter Haltestrom bis zum Anliegen des Ankers am Elektromagneten und anschließend ein reduzierter Haltestrom angelegt.at the known control device becomes a softer Impact of the armature on the electromagnet is achieved by moving the armature the current through the coil depending on the absolute value and the time derivative of the current is controlled. A complex position sensor is not necessary. In detail, first of all in Free-running operation of the coil the current through the coil is detected. Furthermore the time derivative of the current through the coil is determined. Subsequently becomes a quotient of the current and the time derivative of the Electricity formed. After that, this quotient is given a predetermined one Limit compared. The known procedure is based on the consideration that the speed of the anchor with the quotient from the stream and the time derivative of the current correlated. Accordingly can be determined by comparing with a predetermined limit whether the anchor is too fast or too fast at the respective time is slow. If these measurements determine that the anchor If the coil is too fast, additional energy is dissipated. If If the armature is too slow, more energy is supplied to the coil. simultaneously is constantly checked whether the Current through the coil is above a minimum current. As long as if this is the case, the quotient formation and adjustment of the Coil current performed. However, as soon as the minimum current is undershot, an increased Holding current until the armature touches the electromagnet and then on reduced holding current applied.
Die Realisierung des bekannten Steuerungs- bzw. Regelungskonzepts ist relativ aufwändig, da die Regelgröße, also der Strom durch die Spule, zunächst gemessen und anschließend differenziert werden muss, worunter die Zuverlässigkeit und Stabilität des bekannten Prinzips leiden kann.The Realization of the known control or regulation concept is relatively complex, because the controlled variable, so the current through the coil, initially measured and then must be differentiated, including the reliability and stability of the known Principle may suffer.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere zuverlässig arbeitet und preiswert realisierbar ist.The present invention deals deal with the problem for a method of the type mentioned an improved embodiment specify that works particularly reliably and inexpensively is feasible.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This According to the invention, the problem is solved by things the independent Expectations solved. Advantageous embodiments are subject to the dependent Expectations.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für die Bewegung des Ankers eine Sollkurve für den Spulenstrom durch die Spule vorzugeben, der geregelt werden soll. Die Sollkurve ist dabei zweckmäßig so gewählt, dass sich für den Anker eine hinreichende, jedoch möglichst kleine Endgeschwindig keit beim Anlegen an den fangenden Elektromagneten ergibt. Hierdurch können Materialverschleiß und Geräuschentwicklung reduziert werden. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass der Spulenstrom mit der Ankergeschwindigkeit korreliert, so dass durch die Vorgabe eines Sollstromverlaufs ein für einen sanften Anschlag gewünschter Geschwindigkeitsverlauf erzielt werden kann, ohne dass hierzu die Geschwindigkeit des Ankers gemessen werden muß.The Invention is based on the general idea of one for the movement of the anchor Target curve for to specify the coil current through the coil to be regulated should. The target curve is expediently chosen so that there is anchors a sufficient, but if possible small final speed when applied to the catching electromagnet results. This can Material wear and noise be reduced. The invention uses the knowledge that the coil current correlates with the armature speed, so that by specifying a target current curve, a desired one for a gentle stop Speed course can be achieved without this The speed of the armature must be measured.
Von besonderer Bedeutung ist bei der vorliegenden Erfindung, dass sämtliche Meßgrößen und Regelgrößen zeitdiskret vorliegen, die in einem Prozessor zur Steuerung und/oder Regelung der Spulenbestromung ohnehin vorhanden und leicht verfügbar sind. Insbesondere können digitale oder analoge zeitliche Ableitungen des Stromes vermieden werden. Das erfindungsgemäße Steuerungs- und/oder Regelungsprinzip kommt daher mit besonders einfach ermittelbaren Größen aus und arbeitet besonders zuverlässig und stabil. Des weiteren sind die durchzuführenden Rechenoperationen einfach und mit wenig Rechenzeit realisierbar, so dass es insbesondere möglich ist, eine Vielzahl von Soll-Ist-Vergleichen während der Ankerbewegung vorzunehmen.Of It is particularly important in the present invention that all Measured variables and controlled variables are time-discrete are present in a processor for control and / or regulation the coil current supply is already available and easily available. In particular can digital or analog time derivatives of the current avoided become. The control according to the invention and / or the regulation principle therefore comes with particularly easy to determine Sizes out and works particularly reliably and stable. Furthermore, the arithmetic operations to be carried out are simple and can be implemented with little computing time, so that it is possible in particular perform a large number of target-actual comparisons during the armature movement.
Die Spulenstrom-Sollwerte können grundsätzlich in einer beliebigen Form vorgegeben werden, so dass sie besonders einfach mit den Spulenstrom-Istwerten verglichen werden können. Beispielsweise ist es möglich, einen optimalen Sollwert-Verlauf empirisch oder rechnerisch zu ermitteln. Der so gefundene Sollwert-Verlauf kann beispielsweise als Kennlinie abgelegt und bereitgestellt werden. Ebenso ist es möglich, mehrere Sollkurven in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter in einem Kennfeld abzulegen, so dass jeweils die am besten geeignete Sollkurve in Abhängigkeit des jeweiligen Parameters abgerufen werden kann.The Coil current setpoints can in principle can be specified in any form so that it is special can be easily compared with the actual coil current values. For example Is it possible, an optimal setpoint curve to be determined empirically or mathematically. The setpoint curve found in this way can, for example, be stored and made available as a characteristic curve. It is also possible several target curves depending to store one or more parameters in a map, so that the most suitable target curve depending on the respective parameter can be accessed.
Des weiteren ist es möglich, den Sollverlauf aus einem Anschwingvorgang des Schwingungssystems, das aus Stellglied, Anker, Elektromagnet und Rückstelleinrichtung gebildet ist, zu ermitteln. Insbesondere bei solchen Ausführungsformen, bei denen der elektromagnetische Stellantrieb zwei Elektromagnete aufweist, an denen der Anker wechselseitig zur Anlage kommt, ist die Ruheposition des Ankers etwa mittig zwischen den beiden Elektromagneten angeordnet. Wenn die Stelleinrichtung außer Betrieb ist, sind beide Elektromagnete nicht bestromt, so dass der Anker diese Ruheposition einnimmt. Zum Starten der Stelleinrichtung muß der Anker mit Hilfe eines Anschwingvorgangs, bei dem die beiden Elektromagnete wechselweise bestromt werden, an einem der Elektromagnete zur Anlage gebracht werden. Der Anschwingvorgang ist erforderlich, da die Rückstelleinrichtung in der Regel so starke Rückstellkräfte erzeugt, dass keiner der Elektromagnete den Anker aus der Ruheposition heraus soweit anziehen kann, dass er daran zur Anlage kommt. Die vorgeschlagene Erfindung kann die zusätzliche Erkenntnis nutzen, dass der Anschwingvorgang charakteristisch für das jeweilige Schwingungssystem ist. Insbesondere kann der Anschwingungsvorgang zum Auffinden einer optimalen oder besonders geeigneten Sollwertkurve für die Spulenbestromung dienen.Of further it is possible the desired course from a start-up process of the vibration system, formed from the actuator, armature, electromagnet and reset device is to determine. In particular in those embodiments in which the electromagnetic actuator has two electromagnets to which the anchor alternately comes to rest is the rest position of the armature arranged approximately in the middle between the two electromagnets. If the actuator except Operation, both electromagnets are not energized, so the Anker takes this rest position. To start the actuator must the Anchor with the help of a start-up process, in which the two electromagnets are alternately energized, on one of the electromagnets to the system to be brought. The start-up process is necessary because the reset device usually produces such strong restoring forces that none of the electromagnets move the armature out of the rest position can tighten so far that he comes to rest on it. The proposed one Invention can be the additional Use knowledge that the start-up process is characteristic of the respective Vibration system is. In particular, the start-up process to find an optimal or particularly suitable setpoint curve for the Serve coil current.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform kann der Soll-Verlauf für einen aktuellen Stellvorgang des Ankers in Abhängigkeit wenigstens eines Ist-Verlaufs eines vorangehenden Ankerstellvorgangs adaptiert werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Erfassung des Ist-Verlaufs zur Auswertung des aktuellen Regelungsverhaltens verwendet. Beispielsweise kann dadurch die Sollkurve an sich ändernde Betriebsbedingungen der Stelleinrichtung bzw. der Peripherie der Stelleinrichtung angepasst werden. Beispielsweise kann sich die Charakteristik der Rückstelleinrichtung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ändern.Corresponding another embodiment can the target course for one current setting process of the armature as a function of at least one actual profile of a previous anchor actuation process can be adapted. At this Embodiment will the recording of the actual course for the evaluation of the current control behavior used. For example, the target curve can change as a result Operating conditions of the control device or the periphery of the Adjusting device can be adjusted. For example, the Characteristics of the reset device dependent on change the ambient temperature.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the Subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures of the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following Features to be explained not only in the specified combination, but also in other combinations or alone can be used without to leave the scope of the present invention.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.On preferred embodiment the invention is illustrated in the drawings and is in the following description in more detail explained where the same reference numerals refer to the same or functionally identical or similar Obtain components.
Es zeigen, jeweils schematisch,It show, each schematically,
Entsprechend
Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
ist das nicht gezeigte Stellglied mit einer Antriebswelle
Zwischen
den beiden Endlagen besitzt der Anker
Im
Betrieb des Stellantriebs
Zur
Betätigung
der Stelleinrichtung
Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im folgenden anhand des Diagramms gemäß
Das
Diagramm gemäß
Während dieser Vorstromphase A steigt der Spulenstrom I mit systemeigener Charakteristik an, und zwar bis auf einen vorbestimmten Vorstrom IV.During this pre-current phase A, the coil current I rises with the system's own characteristic, up to a predetermined pre-current I V.
Zum
Zeitpunkt t1 beginnt eine Regelungsphase
B der Ankerbewegung, die in
Erfindungsgemäß ist für die Regelungsphase
B eine Sollkurve für
Spulenstrom-Sollwerte ISOLL vorbestimmt.
Der Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte ISOLL ist
zweckmäßig so gewählt, dass
sich eine minimale, jedoch hinreichende Endgeschwindigkeit für den Anker
Die Sollkurve der Spulenstrom-Sollwerte ISOLL besitzt hier beispielsweiese einen abfallenden Verlauf, d. h. die Sollströme ISOLL fallen ab dem Zeitpunkt t1 vom Vorstrom IV ständig ab. Dabei ist der Stromabfall zu Beginn der Regelungsphase B, also in der Nähe des Zeitpunkts t1 sehr flach, während der Spulenstrom I gegen Ende der Regelungsphase B, also in der Nähe des Zeitpunkts t2 sehr steil abfällt.The setpoint curve of the coil current setpoints I SOLL here has, for example, a decreasing profile, ie the setpoint currents I SOLL continuously drop from the bias current I V from the time t 1 . The current drop at the beginning of the control phase B, ie near the time t 1, is very flat, while the coil current I drops very steeply towards the end of the control phase B, ie near the time t 2 .
In
Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Regelung arbeitet wie folgt:
Zum Zeitpunkt t0 beginnt
mit dem Anlegen der Betriebsspannung die Stromzuführung zur
Spule
At time t 0 , the supply of current to the coil begins when the operating voltage is applied
Beispielsweise steigt der Spulenstrom I steiler an und erreicht im Zeitpunkt t1 einen höheren Vorstrom I'V. Ebenso kann der Stromanstieg in der Vorstromphase A flacher ausfallen, so dass im Zeitpunkt T1 ein Vorstrom I''V vorliegt, der niedriger als der „ideale" Vorstrom IV ist.For example, the coil current I rises more steeply and reaches a higher bias current I ' V at time t 1 . Likewise, the current rise in the pre-current phase A can be flatter, so that at the time T 1 there is a pre-current I ″ V that is lower than the “ideal” pre-current I V.
Der
Zeitpunkt t1, ab dem die Regelungsphase
B beginnt, ist zweckmäßig so gewählt, dass
bis zu diesem Zeitpunkt keine oder im wesentlichen keine Wechselwirkung
zwischen dem Anker
Ab
einem Zeitpunkt t3, der vor dem Zeitpunkt t1, also vor dem Beginn der Regelungsphase
B liegt, beginnt die Steuer- und/oder
Regelungseinrichtung
Im
vorliegenden Fall ist in einem Anfangsbereich C, der in
Während der
Regelungsphase B findet bei mehreren, insbesondere bei sämtlichen
Messzeitpunkten ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem jeweils gemessenen
Istspulenstrom IIST und dem vorgegebenen
Sollspulenstrom ISOLL statt. Hierzu wird
zweckmäßig beim
jeweiligen Mess- oder Vergleichszeitpunkt eine Differenz zwischen
dem Spulenstrom-Istwert IIST und dem Spulenstrom-Sollwert
ISOLL ermittelt. Diese Differenz entspricht in
Erfindungsgemäß wird nun
der Spulenstrom I in Abhängigkeit
des Soll-Ist-Vergleichs der Spulenströme I, also in Abhängigkeit
der ermittelten Differenzen zwischen Spulenstrom-Istwert IIST und
Spulenstrom-Sollwert ISOLL geregelt. Der
Regeleingriff bemisst sich dabei zweckmäßig nach dem Betrag und/oder
nach der Richtung der gemessenen Abweichung zwischen Sollwert und
Istwert des Spulenstroms I. Im vorliegenden Fall ist der Spulenstrom-Istwert
IIST kleiner als der Spulenstrom-Sollwert
ISOLL. Dies bedeutet, dass der Regler bzw.
die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
Für den Fall,
dass der Spulenstrom-Istwert IIST größer ist,
als der erforderliche Spulenstrom-Sollwert ISOLL,
wird der Spule
Die
Zuführung
von Energie bzw. Strom zur fangenden Spule
Der
Sollverlauf der Spulenstrom-Sollwerte ISOLL kann
bei einer einfachen Ausführungsform
in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
Ebenso
ist es möglich,
die vorbestimmte Sollkurve als Algorithmus, z.B. als Näherungsgleichung,
abzulegen. Bei dieser Variante kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
Während des
Betriebs der Stelleinrichtung
Der
Temperatureinfluss ist insbesondere bei der weiter oben angesprochenen,
bevorzugten Anwendungsform der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung
Die
während
der Vorstromphase A in die Spule
In
entsprechender Weise ist es ebenso möglich, den Sollverlauf der
Spulenstrom-Sollwerte ISO LL für den aktuellen
Stellvorgang des Ankers
Von
besonderer Bedeutung ist jedoch, dass die gewählte Regelung durch die Vorgabe
einer mit großer
Wahrscheinlichkeit zielführenden
Sollkurve sehr zuverlässig
und stabil arbeitet und wenig störanfällig ist.
Auf diese Weise kann für
die Stelleinrichtung
Vorteilhaft ist außerdem, dass die durchzuführenden Messungen und/oder Rechenoperationen relativ einfach durchführbar sind und dementsprechend wenig Rechenleistung und Rechenzeit beanspruchen. Insbesondere können somit relativ viele Soll-Ist-Vergleiche und Regelungseingriffe während der Regelungsphase B durchgeführt werden, was die Qualität der Regelung erheblich verbessert.Advantageous is also that the to be done Measurements and / or arithmetic operations are relatively easy to carry out and accordingly require little computing power and computing time. In particular can thus a relatively large number of target-actual comparisons and regulatory interventions during the Control phase B carried out be what the quality the scheme significantly improved.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
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