DE10315585A1

DE10315585A1 - Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung

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Publication number: DE10315585A1
Application number: DE10315585A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Baumbach; Frank Dipl.-Ing. Beyer; Alfred Dr.-Ing. Elsäßer; Matthias Dipl.-Ing. Kallenbach; Rainer Dipl.-Ing. Otto; Hartmut Dipl.-Ing. Sauter
Original assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Current assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Priority date: 2003-04-05
Filing date: 2003-04-05
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung, die ein Stellglied und einen Stellantrieb aufweist, der einen Elektromagneten mit einer Spule sowie einen Anker und eine Rückstelleinrichtung, die den Anker in eine Ruheposition vorspannt, aufweist.
Um mit besonders einfachen Mitteln ein sanftes Anlegen des Ankers am Elektromagneten zu ermöglichen, wird während einer ersten Phase der Ankerbewegung, die in einem vorbestimmten Schaltzeitpunkt endet, der Spulenstrom auf einen vorgebbaren Vorstrom gechoppert. Anschließend wird während einer zweiten Phase der Ankerbewegung, die im Schaltzeitpunkt beginnt, der Spulenstrom mit einem vorgebbaren, konstanten Tastverhältnis gechoppert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 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 mittel 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 realisiert 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.
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 der zeitlichen Ableitung des Strom 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.
Die Realisierung des bekannten Steuerungs- bzw. Regelungskonzepts ist relativ aufwändig, da die Regelgröße, also der Strom durch die Spule, zunächst abgeleitet und anschließend differenziert werden muss, worunter die Zuverlässigkeit des bekannten Prinzips leiden kann.
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.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Spulenstrom nach einem vorgegebenen Schaltzeitpunkt mit einem konstanten Tastverhältnis zu choppern. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass bei der Auswahl des richtigen Schaltzeitpunkts und des richtigen Tastverhältnisses die Energiezufuhr in die Spule durch den sich einstellenden Spulenstrom gerade so groß ist, dass der Anker gerade noch am Elektromagneten zur Anlage kommt und daran gehalten werden kann. Da das Tastverhältnis ein Maß für die Energiezufuhr in die Spule ist, korreliert das Tastverhältnis auch mit der Stellgeschwindigkeit des Ankers. Das Tastverhältnis ist üblicherweise der Quotient aus Strompulszeit zu Chopperperiode, also der zeitliche Anteil der Stromzuführung an der Gesamtlänge der Chopperperiode.
Ebenso ist es gebräuchlich, das Verhältnis von Strompulszeit zu Abklingzeit als Tastverhältnis zu bezeichnen.
Von besonderer Bedeutung ist bei der vorliegenden Erfindung, dass sämtliche Messgrößen und Regelgrößen als Zeitgrößen vorliegen, die in einem Prozessor zur Steuerung und/oder Regelung der Spulenbestromung ohnehin vorhanden und leicht verfügbar sind. Insbesondere können digitale oder analoge Ableitungen und Differenzierungen vermieden werden. Das erfindungsgemäße Steuerungs- und/oder Regelungsprinzip kommt daher mit besonders einfach ermittelbaren Größen aus und arbeitet besonders zuverlässig.
Bei der Erfindung wird die Bestromung der Spule in zumindest zwei Phasen unterteilt, nämlich in eine erste Phase der Ankerbewegung und eine zweite Phase der Ankerbewegung. Während der ersten Phase wird der Spulenstrom auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Vorstrom gechoppert. Hierbei wird der Spule im Idealfall soviel Energie zugeführt, wie ihr der Anker bei seiner Stellbewegung entzieht einschließlich sämtlicher auftretender Energieverluste. Die erste Phase endet mit dem Schaltzeitpunkt, zu dem die zweite Phase beginnt. In der zweiten Phase erfolgt dann die Chopperung mit dem konstanten Tastverhältnis. Beim Choppern des Spulenstroms während der ersten Phase ist das Tastverhältnis variabel, um den vorgegebenen Vorstrom einregeln zu können. Das Choppern arbeitet dabei nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation, so dass während einer Chopperperiode nacheinander eine Strompulszeit und eine Abklingzeit auftreten. Grundsätzlich kann dabei das Tastverhältnis zwischen 0% und 100% variieren.
Um während der ersten Phase den Stromfluss durch die Spule möglichst konstant auf dem Vorstromwert zu halten, ist es erforderlich, das Tastverhältnis an den aktuellen Strombedarf der Spule anzupassen, der sich durch die Bewegung des Ankers permanent ändert. Sobald in der zweiten Phase das Tastverhältnis „eingefroren" wird, wird der Spule unabhängig von der Verstellbewegung des Ankers konstant der gleiche Strom zugeführt. Der hierzu erforderliche Regelungsbedarf ist sehr niedrig.
Wesentlich für die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Auswahl eines geeigneten Tastverhältnisses für die zweite Phase der Ankerbewegung. Dabei ist es grundsätzlich möglich, ein geeignetes Tastverhältnis empirisch zu ermitteln, wobei das optimale Tastverhältnis von Randbedingungen, wie z. B. Schaltwiderstände des Stellglieds, Temperatur, abhängen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird für das Tastverhältnis der zweiten Phase dasjenige Tastverhältnis vorgegeben, das am Ende der ersten Phase vorliegt.
Das Tastverhältnis der zweiten Phase wird somit durch das System selbst bestimmt. Insbesondere kann sich dadurch das Tastverhältnis an sich ändernde Randbedingungen bei verschiedenen Stellvorgängen selbständig anpassen. Der Aufwand zur Realisierung ist dabei relativ gering. Die Erfindung nutz hierbei die überraschende Erkenntnis, dass das System das optimale Tastverhältnis von selbst einstellt und dass es ausreicht, dieses Tastverhältnis für die zweite Phase quasi einzufrieren.
Eine weitere Vereinfachung kann dadurch erreicht werden, dass beim Choppern die Strompulszeit konstant eingestellt wird. Bei dieser Vorgabe kann das Tastverhältnis besonders einfach durch Messen der Abklingzeit festgestellt werden.
Die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt auch von der Wahl des Vorstromniveaus ab. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann daher das Verhalten des Ankers beim Anlegen am Elektromagneten während eines Stellvorgangs ausgewertet werden und das Ergebnis der Auswertung beim nachfolgenden Stellvorgang durch Adaption einzelner Parameter berücksichtigt werden. Beispielsweise können Stromgrenzwerte überwacht werden, deren Erreichen oder Überschreiten anzeigen, dass der eingestellte Vorstrom beim aktuellen Stellvorgang zu hoch oder zu niedrig gewählt war.
Ein weiterer wesentlicher Parameter für die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Schaltzeitpunkt, zu dem die zweite Phase mit dem konstanten Tastverhältnis startet.
Bevorzugt wird hier eine Ausführungsform, bei welcher der Schaltzeitpunkt so vorgegeben wird, dass der Anker in diesem Zeitpunkt seine größte Stellgeschwindigkeit aufweist und/oder seine Ruheposition durchfährt und/oder die Mitte seiner Stellbewegung durchläuft. Der Schaltzeitpunkt kann dabei empirisch ermittelt werden. Ebenso ist es möglich, den Schaltzeitpunkt zu berechnen, insbesondere aus der Eigenresonanz des mechanischen Schwingungssystems.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer elektromagnetischen Stelleinrichtung,
2 ein Diagramm des Stromverlaufs durch die Spule in Abhängigkeit der Zeit.
Entsprechend 1 umfasst eine elektromagnetische Stelleinrichtung 1 einen elektromagnetischen Stellantrieb 2 sowie ein damit antriebsverbundenes, hier jedoch nicht gezeigtes Stellglied. Je nach Art der Stelleinrichtung 1 kann das Stellglied beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe oder ein beliebiges anderes Stellorgan sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Stelleinrichtung 1 um eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung zur Betätigung eines Lufttaktventils, das in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ebenso ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher die Stelleinrichtung 1 als elektromagnetischer Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist das nicht gezeigte Stellglied mit einer Antriebswelle 3 antriebsverbunden, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Mit der Antriebswelle 3 fest verbunden ist ein Anker 5, der mit Hilfe von zwei Elektromagneten 6 zwischen zwei Stellungen umschaltbar ist. Jeder Elektromagnet 6 besitzt wenigstens eine Spule 7 und kann wie hier außerdem mit einem Kern 8 ausgestattet sein. In der einen Endstellung liegt der mit durchgezogenen Linien gezeigte Anker 5 an dem einen Elektromagneten 6 bzw. an dessen Kern 8 an. In der anderen Endstellung liegt der mit unterbrochenen Linien dargestellte Anker 5 entsprechend am anderen Elektromagneten 6 bzw. an dessen Kern 8 an. Der Anker 5 verschwenkt beim Verstellen zwischen seinen Endstellungen um die Drehachse 4, wobei er über die Antriebswelle 3 das damit gekoppelte Stellglied mitnimmt.
Zwischen den beiden Endlagen besitzt der Anker 5 noch eine Ruheposition, in welche der Anker 5 mit Hilfe einer hier nicht gezeigten Rückstelleinrichtung vorgespannt ist. D.h., wenn beide Elektromagnete 6 unbestromt sind, zwingt die Rückstelleinrichtung den Anker 5 in diese Ruheposition. Die Rückstelleinrichtung kann beispielsweise durch eine mit der Antriebswelle 3 gekoppelten Torsionsfeder gebildet sein, deren Neutrallage in der Ruheposition vorliegt und die beim Drehen des Ankers 5 in die eine oder in die andere Endstellung gespannt wird. Die Ruheposition des Ankers 5 liegt regelmäßig mittig zwischen den Endlagen.
Im Betrieb des Stellantriebs 2 wird der Anker 5 bei jedem Schaltvorgang von der einen Endstellung in die andere Endstellung umgeschaltet. Sowohl bei einer Anwendung als Ventiltrieb für ein Gaswechselventil als auch bei einer Anwendung als Lufttaktventil, muss der Stellantrieb 2 extrem kurze Stellzeiten realisieren. Hierzu werden die Spulen 7 der Elektromagnete 6 in geeigneter Weise bestromt.
Zur Betätigung der Stelleinrichtung 1 ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die eine Steuerung- und/oder Regelungseinrichtung 10 aufweist. Diese Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass sie den Strom durch die Spulen 7 gemäß dem nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren einstellen kann. Zu diesem Zweck ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 10 über Kabel 11 mit den Spulen 7 sowie über weitere, hier nicht gezeigte Kabel mit einer entsprechenden Energieversorgungseinrichtung verbunden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand des Diagramms gemäß 2 näher erläutert.
Das Diagramm gemäß 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms I während eines Stellvorgangs des Ankers 5, bei dem sich der Anker 5 von der einen Endstellung in die andere Endstellung bewegt. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt der Schaltvorgang. Bis zu diesem Zeitpunkt t₀ liegt der Anker 5 an dem einen, dem abgebenden Elektromagneten 6 an, der ihn mit einer geeigneten Haltekraft in dieser ersten Endstellung festhält. Zum Zeitpunkt t₀ wird diese Haltekraft ausgeschaltet, so dass nun die Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung den Anker 5 in Richtung Ruheposition beschleunigt. Dabei wird potentielle Energie der Rückstelleinrichtung in kinetische Energie des Ankers 5 umgewandelt. Mit dem Abheben des Ankers 5 vom abgebenden Elektromagneten 6 beginnt eine erste Phase I der Ankerbewegung, die in 2 durch einen Doppelpfeil charakterisiert ist. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt bei der hier gezeigten Ausführungsform auch die Bestromung der Spule 7 des anderen, also des fangenden Elektromagneten 6.
Erfindungsgemäß wird der Strom I während dieser ersten Phase I auf einen Vorstrom I_V gechoppert. Das Choppern des Spulenstroms I erfolgt dabei nach Art einer Zwei-Punkt-Regelung, die mit einer Obergrenze I_VO für den Vorstrom I_V und einer Untergrenze I_VU für den Vorstrom I_V arbeitet. Dementsprechend steigt der Spulenstrom I ab dem Zeitpunkt t₀ zunächst an, bis er die Obergrenze I_VO des Vorstroms I_V erreicht. Sobald der Spulenstrom I die Vorstromobergrenze I_VO erreicht, wird die Stromzufuhr abgeschaltet, so dass der Spulenstrom I absinkt. Sobald der sinkende Spulenstrom I die Vorstromuntergrenze I_VU erreicht, wird die Stromzufuhr wieder eingeschaltet und der Spulenstrom I steigt wieder an. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Vorstroms I_V der hier gezeigte zickzack-förmige Verlauf zwischen den Grenzen I_VO und I_VU des Vorstroms I_V.
Diese zick-zack-förmige Veränderung des Spulenstroms I ist das Ergebnis der Zwei-Punkt-Regelung und wird als Choppern bezeichnet. Dabei sind die Abschnitte mit zunehmendem Spulenstrom Strompulszeiten, während die Abschnitte mit abnehmendem Spulenstrom Abklingzeiten sind. Die Summe der Strompulszeit und der nachfolgenden Abklinkzeit ergeben die Chopperperiode. Das Tastverhältnis ist die Strompulszeit bezogen auf die Chopperperiode oder alternativ die Strompulszeit bezogen auf die Abklingzeit.
Da die Relativlage und die Geschwindigkeit des Ankers 5 den Strombedarf bzw. den Stromfluss in der Spule 7 beeinflusst, kann sich in der ersten Phase I das Tastverhältnis beim Choppern ändern. Dementsprechend ist während der ersten Phase I das Tastverhältnis variabel, da die Zwei-Punkt-Regelung bzw. das Choppern automatisch die Stromversorgung an den Strombedarf der Spule 7 anpasst. Dabei kann durchaus vorgesehen sein, während des Chopperns die Strompulszeit stets konstant zu halten, wobei sich dann das Tastverhältnis durch Variation der Abklingzeit verändern kann.
Im Zeitpunkt t₁ befindet sich der Anker 5 in seiner Ruheposition. In der Regel besitzt der Anker 5 an dieser Stelle bzw. zu diesem Zeitpunkt t₁ seine größte Geschwindigkeit während des Schaltvorgangs. Zu diesem Zeitpunkt t₁ endet die erste Phase I und die zweite Phase II beginnt. Die zweite Phase II ist dadurch charakterisiert, dass in ihr der Spulenstrom I bei einem konstanten Tastverhältnis gechoppert wird. Der Zeitpunkt t₁ wird im folgenden daher auch als Schaltzeitpunkt t₁ bezeichnet. Der Schaltzeitpunkt t₁ kann vorbestimmt werden, beispielsweise aus der Eigenresonanz des mechanischen Schwingungssystems. Zweckmäßig ist der Schaltzeitpunkt t₁ invariant und bei jedem Schaltvorgang gleich.
Das optimale Tastverhältnis kann beispielsweise empirisch ermittelt werden. Da es sich bei einem elektromagnetischen Stellantrieb 2 um ein hoch komplexes Schwingungssystem handelt, können kleinste Änderungen der Randbedingungen, wie z.B. der Betriebstemperatur, das Schwingungsverhalten des Systems spürbar beeinflussen. Die mit dem Stellantrieb 2 erzielbaren Schaltzeiten sollen jedoch konstant sein. Um konstante Schaltzeiten für das mit dem Anker 5 gekoppelte Stellglied erreichen zu können, muss die Bestromung der Spule 7 entsprechend flexibel arbeiten können. Dementsprechend wird die Tastfrequenz für die zweite Phase II während jedes Schaltvorgangs individuell bestimmt. Hierzu wird das Tastverhältnis während der ersten Phase I gemessen. Dasjenige Tastverhältnis, das bei Erreichen des Schaltzeitpunkts t₁ vorliegt, wird entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform für die zweite Phase II als konstantes Tastverhältnis verwendet. Die Bestimmung des Tastverhältnisses ist dabei relativ einfach durchführbar, da hierzu nur Zeitgrößen ermittelt werden müssen, die in einem Prozessor der Steuerung- und Regelungseinrichtung 10 ohnehin vorhanden sind, so dass insbesondere kein Input externer Daten erforderlich ist. Die Bestimmung des aktuellen Tastverhältnisses im Schaltzeitpunkt t₁ vereinfacht sich weiter, wenn für das Choppern konstante Strompulszeiten verwendet werden, da dann nur die Abklingzeiten gemessen und mit den bekannten Strompulszeiten in Relation gesetzt werden müssen.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für das Tastverhältnis, das während der zweiten Phase II konstant gehalten werden soll, ein Mittelwert verwendet werden, der aus dem in der ersten Phase I zuletzt vor dem Schaltzeitpunkt t₁ gemessenen Tastverhältnis und wenigstens einem unmittelbar vorangehenden Tastverhältnis gebildet werden kann. Dabei kann es zweckmäßig sein, für die Mittelwertbildung die Einzelwerte unterschiedlich zu gewichten. Beispielsweise kann das Tastverhältnis der letzten noch in der ersten Phase I liegenden Chopperperiode am stärksten gewich tet werden, während das Tastverhältnis der unmittelbar vorausgehenden Chopperperiode schwächer gewichtet wird. Falls ein drittes Tastverhältnis berücksichtigt werden soll, kann dort die Gewichtung noch schwächer gewählt werden. Durch die Mittelwertbildung und/oder die gewichtete Mittelwertbildung können Messfehler geglättet werden.
Bei optimal eingestelltem Vorstrom I_V reicht die während der ersten Phase I der Spule 7 zugeführte Energie aus, den Anker 5 während der zweiten Phase II, also bei konstantem Tastverhältnis mit einer hinreichend kleinen Relativgeschwindigkeit am fangenden Elektromagneten 6 zur Anlage zu bringen. Das bedeutet, dass die Abnahme des Spulenstroms I bis zum Anlegen des Ankers 5 am fangenden Elektromagneten 6 gerade bis zu einem Haltestrom I_H abnimmt. In 2 ist der Zeitpunkt, zu dem der Anker 5 am Elektromagneten 6 zur Anlage kommt, also seine andere Endlage einnimmt, mit t₃ bezeichnet. Spätestens ab diesem Zeitpunkt t₃ kann die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 10 an der Spule 7 auf herkömmliche Weise den Haltestrom I_H einstellen, insbesondere choppern. Auch für das Choppern auf den Haltestrom I_H wird eine Zwei-Punkt-Regelung bevorzugt, die mit einer Obergrenze I_HO für den Haltestrom I_H und mit einer Untergrenze I_HU für den Haltestrom I_H arbeitet. Dementsprechend wird beim Choppern auf den Haltestrom I_H so lange Strom I zugeführt, bis die Haltestromobergrenze I_HO erreicht ist. Dann wird die Stromzufuhr abgeschaltet, so dass der Strom I wieder abfällt. Sobald der abfallende Strom I die Haltestromuntergrenze I_HU erreicht, wird die Stromzufuhr wieder eingeschaltet. Auch hier kann die Strompulszeit konstant gehalten werden. Da sich der Anker 5 ab dem Zeitpunkt t₃, also nach dem Anlegen am fangenden Elektromagneten 6 nicht bewegt, ergeben sich insoweit keine dynamischen Änderungen des Stromflusses durch die Spule 7. Demzufolge führt die Zwei-Punkt-Regelung des Haltestromes I_H nach diesem Zeitpunkt t₃ automatisch zu einem konstanten Tastverhältnis, so dass grundsätzlich anstelle einer Zwei-Punkt-Regelung auch eine Pulsweitenmodulation bzw. eine Chopperung mit konstantem Tastverhältnis zum Einstellen des Haltestroms I_H durchgeführt werden kann.
Falls der Vorstrom I_V zu klein eingestellt worden ist, fällt der Spulenstrom I während der zweiten Phase II unter einen vorbestimmten Mindestwert I_min. Dies ist im Diagramm gemäß 2 beim Zeitpunkt t₂ der Fall. Sobald dieser Fall eintritt, endet die zweite Phase II und eine dritte Phase III beginnt. Für die Stromversorgung der Spule 7 in der dritten Phase III ergeben sich nun wenigstens zwei Möglichkeiten. Zum einen kann schon in der dritten Phase III auf den Haltestrom I_H gechoppert werden, wodurch sich die Stromzuführung in der dritten Phase III automatisch an den Strombedarf der Spule 7 anpaßt. Dementsprechend kann in der dritten Phase III das Tastverhältnis wieder variieren.
Zum anderen kann für die Bestromung der Spule 7 in der dritten Phase III das Tastverhältnis schrittweise so weit vergrößert werden, bis der Spulenstrom I den Mindestwert I_min nicht mehr unterschreitet. Bei dieser Variante ist das Tastverhältnis in der dritten Phase III nach der schrittweisen Anpassung an sich konstant.
Gemäß der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform kann der Mindestwert I_min, unter den der Spulenstrom I während der zweiten Phase II nicht abfallen soll, gleich der Haltestromuntergrenze I_HU gewählt werden.
Falls das Niveau des Vorstroms I_V so groß gewählt ist, dass der Spulenstrom I während der zweiten Phase II zu keinem Zeitpunkt den Mindestwert I_m _in unterschreitet, entfällt die dritte Phase III, d. h. die zweite Phase II erstreckt sich dann bis zum Anlegen des Ankers 5 an den fangenden Elektromagneten 6, also bis zum Zeitpunkt t₃. Falls der Vorstrom I_V zu niedrig gewählt ist, kann der Zeitpunkt t₂, zu dem der Spulenstrom I den Mindestwert I_mi _n unterschreitet, grundsätzlich an einer beliebigen Stelle zwischen dem Ende der ersten Phase I und dem Ende der dritten Phase III, also zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃ liegen. Je besser die Höhe des Vorstroms I_V gewählt wird, desto näher liegt der Zeitpunkt t₂ am Ende der dritten Phase III.
Für den Fall, dass der Vorstrom I_V zu groß gewählt ist, wird zum Zeitpunkt t₃, also beim Auftreffen des Ankers 5 auf den fangenden Elektromagneten 6, überprüft, ob der Spulenstrom I einen vorbestimmten Höchstwert I_max übersteigt. Zweckmäßig wird für diesen Höchstwert I_max im vorliegenden Fall die Haltestromobergrenze I_HO verwendet. Falls bei einem Stellvorgang des Ankers 5 festgestellt wird, dass der Spulenstrom I beim Auftreffen des Ankers 5 auf den fangeden Elektromagneten 6, also im Zeitpunkt t₃ oberhalb des Höchstwertes I_max liegt, wird für den folgenden Schaltvorgang der Vorstrom I_V um einen vorbestimmten Betrag erniedrigt. Zweckmäßig erfolgt dies durch eine entsprechende Verschiebung der Vorstromobergrenze I_VO und der Vorstromuntergrenze I_VU nach unten. Falls jedoch während der zweiten Phase II der Spulenstrom I den Mindestwert I_min unterschreitet, wird für den folgenden Schaltvorgang der Vorstrom I_V um einen vorbestimmten Betrag erhöht. Zweckmäßig erfolgt auch dies durch eine entsprechende Verschiebung der Vorstromobergrenze I_VO und der Vorstromuntergrenze I_VU nach oben. Falls der Spulenstrom I in der zweiten Phase II weder den Mindestwert I_mi _n unterschreitet, noch zum Zeitpunkt t₃ den Höchstwert I_max überschreitet, darf davon ausgegangen werden, dass der Anker 5 im betrachteten Schaltvorgang hinreichend sanft auf dem fangenden Elektromagneten 6 gelandet ist.
In der zweiten Phase II sind bei konstantem Tastverhältnis und bei konstanten Strompulszeiten folglich auch die Abklingzeiten konstant. Die Abnahme des Spulenstroms I kann dann beispielsweise durch unterschiedlich steil abfallende Ströme während der Abklingzeiten realisiert werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das erwünschte „sanfte" Landen des Ankers 5 auf dem fangenden Elektromagneten 6 ermöglicht werden. Hierdurch wird zum einen der Verschleiß des Elektromagneten 6 bzw. des Kerns 8 bzw. des Ankers 5 reduziert. Zum andern reduziert sich da durch auch der Verschleiß des mit dem Anker 5 antriebsgekoppelten Stellglieds, das üblicherweise wie der Anker 5 zwischen zwei Endstellungen verstellt wird, in denen es jeweils an entsprechenden Anschlägen zur Anlage kommt. Durch die direkte Antriebskopplung zwischen Anker 5 und Stellglied kommt auch das Stellglied entsprechend sanft an seinen Anschlägen zur Anlage. Neben der Reduzierung der Verschleißgefahr spielt jedoch die Reduzierung der Geräuschentwicklung bei der Kontaktierung des Ankers 5 mit dem Magneten 6 eine bedeutende Rolle. Denn die reduzierte Endgeschwindigkeit des Ankers 5 vermindert die Schallerzeugung durch das Auftreffen des Ankers 5 auf den Elektromagneten 6. Entsprechendes gilt dann auch wieder für das Stellglied, dessen Schallemission beim Aufprall auf die entsprechenden Anschläge aufgrund der reduzierten Endgeschwindigkeit reduziert ist.
Neben den hier vorgestellten elektronischen Maßnahmen zur Bedämpfung des Endanschlags der Ankerbewegung bzw. der Stellgliedbewegung, können noch zusätzliche mechanische und/oder hydraulische und/oder pneumatische Dämpfungsmaßnahmen vorgesehen werden, die zusätzlich zwischen Anker 5 und Elektromagnet 6 bzw. Kern 8 einerseits und/oder zwischen Stellglied und den zugehörigen Anschlägen andererseits wirksam sein können. Die zusätzlichen Dämpfungsmaßnahmen, die grundsätzlich beliebig ausgebildet sein können, dienen ebenfalls zur Abminderung der Geräuschentwicklung beim Auftreffen des Ankers 5 auf den jeweiligen Elektromagneten 6 bzw. des Stellglieds am jeweiligen Anschlag. Eine Kombination der vorbeschriebenen elektronischen Dämpfungsmaßnahmen mit die sen zusätzlichen, insbesondere mechanischen, Dämpfungsmaßnahmen kann die Schallemission und auch den Materialverschleiß bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung 1 erheblich reduzieren.

Claims

Verfahren zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung (1), die ein Stellglied und einen Stellantrieb (2) aufweist, wobei der Stellantrieb (2) wenigstens einen Elektromagneten (6) mit wenigstens einer Spule (7) sowie einen Anker (5) und eine Rückstelleinrichtung, die den Anker (5) in eine Ruheposition vorspannt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass während einer ersten Phase I der Ankerbewegung, die in einem vorbestimmten Schaltzeitpunkt (t₁) endet, der Spulenstrom (I) auf einen vorgebbaren Vorstrom (I_V) gechoppert wird, – dass während einer zweiten Phase II der Ankerbewegung, die im Schaltzeitpunkt (t₁) beginnt, der Spulenstrom (I) mit einem vorgebbaren konstanten Tastverhältnis gechoppert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass während einer dritten Phase III der Ankerbewegung das Tastverhältnis erhöht wird und/oder der Spulenstrom auf einen vorbestimmten Haltestrom (I_H) gechoppert wird, – dass die dritte Phase III beginnt, wenn der Spulenstrom (I) in der zweiten Phase II einen vorbestimmten Mindest wert (I_min) unterschreitet, und endet, wenn der Anker (5) am Elektromagneten (6) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Phase II bis zum Anlegen des Ankers (5) am Elektromagneten (6) erstreckt, wenn der Spulenstrom (I) während der zweiten Phase II einen vorbestimmten Mindestwert (I_min) nicht unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Tastverhältnis der zweiten Phase II dasjenige Tastverhältnis vorgegeben wird, das am Ende der ersten Phase I vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Tastverhältnis der zweiten Phase II ein Mittelwert aus demjenigen Tastverhältnis, das am Ende der ersten Phase I vorliegt, und wenigstens einem weiteren Tastverhältnis, das dem am Ende der ersten Phase I vorliegenden Tastverhältnis unmittelbar vorausgeht, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert gewichtet wird, wobei dasjenige Tastverhältnis, das am Ende der ersten Phase I vorliegt, am stärksten gewichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Choppern die Strompulszeit konstant eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den folgenden Stellvorgang des Ankers (5) der Vorstrom (I_V) um einen vorbestimmten Betrag erhöht wird, wenn beim aktuellen Stellvorgang der Spulenstrom (I) in der zweiten Phase II der Ankerbewegung einen vorbestimmten Mindestwert (I_min) unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den folgenden Stellvorgang des Ankers (5) der Vorstrom (I_V) um einen vorbestimmten Betrag erniedrigt wird, wenn beim aktuellen Stellvorgang der Spulenstrom (I) beim Anlegen des Ankers (5) am Elektromagneten (6) größer ist als ein vorgegebener Höchstwert (I_max).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Choppern in der ersten Phase I als Zwei-Punkt-Regelung zwischen einer Obergrenze (I_VO) des Vorstroms (I_V) und einer Untergrenze (I_VU) des Vorstroms (I_V) ausgestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 10 und nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhöhen oder Erniedrigen des einzustellenden Vorstroms (I_V) die Obergrenze (I_VO) und die Untergrenze (I_VU) des Vorstroms (I_V) erhöht oder erniedrigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Choppern in der dritten Phase III als Zwei-Punkt-Regelung zwischen einer Obergrenze (I_HO) des Haltestroms (I_H) und einer Untergrenze (I_HU) des Haltestroms (H) ausgestaltet ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergrenze (I_HU) des Haltestroms (I_H) dem Mindestwert (I_min) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9 und nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze (I_HO) des Haltestroms (I_H) dem Höchstwert (I_max) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis zumindest in einem den Schaltzeitpunkt (1) enthaltenden Zeitfenster durch Bestimmen der Strompulszeit und der Abklingzeit innerhalb einer Chopperperiode ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzeitpunkt (t₁) so vorgegeben ist, dass der Anker (5) in diesem Zeitpunkt seine größte Stellgeschwindigkeit aufweist und/oder seine Ruheposition durchfährt und/oder die Mitte seiner Stellbewegung durchläuft.
Vorrichtung zum Betätigen einer elektromagnetischen Stelleinrichtung (1), die ein Stellglied und einen Stellantrieb (2) aufweist, wobei der Stellantrieb (2) wenigstens einen Elektromagneten (6) mit wenigstens einer Spule (7) sowie einen Anker (5) und eine Rückstelleinrichtung, die den Anker (5) in eine Ruheposition vorspannt, aufweist, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (10), die so ausgestaltet ist, dass sie zum Einstellen des Stroms (I) durch die Spule (7) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Stelleinrichtung (1) ein elektromagnetischer Ventiltrieb für wenigstens ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine oder eine Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung für ein Lufttaktventil im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist.