Ein
bevorzugter Anwendungsfall für
einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen.
Die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine werden von derartigen
Aktuatoren in gewünschter
Weise betätigt,
d.h. im Wesentlichen oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem
derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile
einzeln oder auch in Gruppen über
elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktuatoren bewegt, wobei
der Zeitpunkt für
das Öffnen und
das Schließen
jedes Hubventiles im Wesentlichen frei gewählt werden kann. Hierdurch
können
die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweils
durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand sowie
an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen,
Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen
Fahrzeuges angepasst werden.
Die
wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der
Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete
für das
Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektomagnet-Spulen,
und ferner Rückstellfedern
für die
Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Im Bezug auf einen
prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators wird auch
auf die Abbildung von 1 der
beigefügten Zeichnung
ver wiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil
in einer der beiden möglichen
Endlagen des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt.
Ein
elektromagnetischer Aktuator kann in bekannter Weise in zwei Modi
betrieben werden, dem s.g. "Vollhub" und dem s.g. "Freiflug". In dem Betriebsmodus "Vollhub" wird der Anker in
beiden Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen der
jeweilig zugehörigen
Elektomagnet-Spule gebracht. 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.
Ablösephase unterteilt.
Beim Fangvorgang nähert
sich der Anker einem der beiden Elektromagneten. Die zu diesem Elektromagneten
gehörende
Spule wird derart bestromt, dass der Anker das Joch erreicht, aufsetzt und
dort verweilt. Der Verweilvorgang dauert so lange, bis ein Ablösen des
Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden
Spule eingeleitet wird, beispielsweise durch Unterbrechung des Stromes
oder Stromumkehr. Das Ablösen
des Ankers geschieht in der Regel zeitlich verzögert zur veränderten
Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt.
Nach
dem Stand der Technik werden Regelverfahren für elektromagnetische Aktuatoren
bei Betrieb im Vollhub beispielsweise in der
DE 195 30 121 A1 offenbart,
die jedoch nur zu einer Verbesserungen insbesondere im Hinblick
auf die Geräuschentwicklung
sowie den Akluatorverschleiß Verfahren
zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem
elektromagnetischen Aktuator vorschlägt, wobei mit einer Annäherung des
Ankers an die Polfläche
der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung
auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt und im Wesentlichen reduziert wird,
so dass der durch die Spule fließende Strom während eines
Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. Auch werden konstruktive
Maßnahmen zur
Reduzierung der Klebzeit vorgeschlagen, wobei die Klebzeit als Größe jedoch
stets vorhanden bleibt.
Als
bisherige Vorgehensweise ist bekannt, dass bei einer Trajektorien-basierten
Regelung eines elektromagnetischen Aktuators Sollwerte für Hub, Geschwindigkeit
und Beschleunigung eines Ankers des Aktuators vorgesehen sind. Die
wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene
Solltrajektorie und ein Regler. 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 zwischen den Polflächen der
beiden Elektromagnetspulen.
Eine
Verbesserung der Steuerung der sogenannten Endphasenbewegung kurz
vor dem Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden
Spule durch zwischenzeitliches Abschalten der Magnetspulen und nachfolgendes
geregeltes Einschalten bis zum Aufsetzen des Ankers auf dem Pol
ist in der
EP 0 973
177 A2 offenbart. Als Alternative zu dieser letztgenannten
Lösung
schlägt
die
EP 0 973 178 A2 das
Anlegen einer getakteten Spulenspannung mit Regelung vor.
Alle
die vorstehend genannten Regelungsmaßnahmen beziehen sich jedoch
nur auf die Endphasenbewegung in dem Betriebsmodus "Vollhub". Von dem Betriebsmodus "Vollhub" ist ein Betrieb
des elektromagnetischen Aktuators im s.g. "Freiflug" zu unterscheiden. Beim Freiflug wird
beispielsweise auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule
verzichtet, wenn sich der Anker dem Joch nähert. Der Anker setzt daher
im Gegensatz zum "Vollhub" im "Freiflug"-Betrieb nicht auf,
sondern er ändert
seine Richtung und fliegt zurück
noch bevor er das Joch erreicht. Mit dem Freiflug lässt sich
eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers erzielen, da
keine Klebzeit auftritt.
Die
Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers besteht beim
Freiflug lediglich aus der Zeit, die der Anker benötigt, die
Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden
und wieder zurück
zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen kommt
jedoch mindestens noch die Klebzeit hinzu.
Der
Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass in den beiden
vorstehend nur exemplarisch genannten Betriebsfällen, also "Freiflug" und "Vollhub", für
eine Regelung auf der Grundlage einer Trajektorie neben einem Wert
der Geschwindigkeit auch der aktuelle Ist-Wert der Beschleunigung
des Ankers benötigt
wird. Dieser Wert ist unter den drei zur Regelung benötigten Werten
der am schwierigsten zu bestimmende Größe. Ein eigener Beschleunigungssensor
oder ein Geschwindigkeitssensor zur Bestimmung der Beschleunigung
sind zu teuer. Eine Auswertung des Hubsignals mit zweimaligem Differenzieren
ist u.a. deswegen sehr ungenau, weil die Differenzierung nur in
Form einer Differenzenbildung auf der Grundlage des Geschwindigkeitssignals durchgeführt werden
kann. Aber schon dem Geschwindigkeitssignal ist stets ein relativ
hoher Rauschpegel überlagert,
der die Zuverlässigkeit
des so gewonnenen Beschleunigungssignals zusätzlich verschlechtert.
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur
verbesserten Einstellung einer Periodendauer auf der Basis einer
Trajektorie zu schaffen.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche
1 und 5 sowie 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich demnach dadurch aus, dass als Sollwerte für eine Trajektorie
Hub und Geschwindigkeit des Ankers sowie der Stromfluß durch
eine jeweils fangende Spule gewählt
werden. Der Regler wird an diese Sollwerte angepasst. Aus einem
endungsgemäßen Ansatz
ergeben sich als Vorteile unmittelbar, dass eine relativ einfache
Bestimmung der Ist-Werte für
Hub, Geschwindigkeit und Strom durchgeführt werden kann: Der Hub wird
in bekannter Weise durch einen Hubsensor ermittelt, und der Strom
kann als Reaktion auf eine eingeprägte Spannung und einen aktuellen
Zustand des Ankers in dem Aktuator einfach durch Messen ermittelt
werden. Eine Messung anstelle einer zweimaligen Differenziation
macht ein vorgeschlagenes Verfahren zuverlässiger und vereinfacht zudem
auch eine entsprechende Vorrichtung gegenüber solchen nach dem Stand
der Technik.
Ein
Aktuator lässt
sich als gekoppeltes System bestehend aus einem mechanischen System zweiter
und einem elektrischen System erster Ordnung in einem Modell abbilden.
Es ergibt sich also insgesamt ein System dritter Ordnung, für dessen Bestimmung
nach den Grundsätzen
der Mathematik drei voneinander linear unabhängige Regelgrößen erforderlich
sind. Es ist ein nur einmaliges Differenzieren des Hubsignalverlaufs
zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals notwendig, und die erforderliche
Anzahl von drei Regelgrößen zur
Bestimmung des Systems sind durch Hub und Geschwindigkeit des Ankers
sowie den Strom mithin gegeben.
Der
gemessene Stromverlauf bildet eine Information, die eine Aussage über einen
jeweiligen Kraftverlauf enthält.
Erst in einem erfindungsgemäßen Verfahren
wird diese Information gewinnbringend als dritte Regelgröße verwendet.
Eine entsprechende Sollkurve für
einen Stromverlauf kann ebenfalls durch eine einfache Messung unter
standardisierten Bedingungen für
den Aktuator einmalig gemessen und dann fest zur Ermittlung von
Soll-Werten abgelegt werden.
Damit
werden als Sollwerte für
eine Trajektorie Hub, Geschwindigkeit und Strom gewählt. Der Regler
wird an diese Sollwerte angepasst. Diese Anpassung wird in einer
Ausführungsform
der Erfindung durch den Einsatz eines Reglers variabler Struktur
in der sogenannten "reduzierten
Form" einreicht,
vergleiche hierzu J.Y. Hung, W. Gao, J.C. Hung, "Variable Structure Control: A Survey", IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 40, No. 1, Feb. 1993. Es kann auf einer
erfindungsgemäßen Basis
auch ein anderes Reglerentwurfsverfahren zur Sicherstellung eines
Ausgleichs zwischen Ist- und Sollwert frei nach Auswahl des Fachmanns
verwendet werden.
Bevorzugt
enthält
dabei diese Soll-Trajektorie über
die Zeit gesehen bzw. in Abhängigkeit
von der Zeit Werte für
die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet
werden, sowie für
die Geschwindigkeit des Ankers. Gleiches ist auch für den Strom
vorgesehen. Es handelt sich in einem Fall bei der Trajektorie für eine Regelgröße also
quasi um eine einfache Wertetabelle, die in einer Ausführungsform
der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt
ist. Eine rechnerische Anpassung an einen individuellen Fall ist
in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen. In einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung wird die Trajektorie einer Regelgröße in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen
jeweils individuell berechnet.
In
einer Ausführungsform
der Erfindung erfolgt die Regelung unter Verwendung eines Zustandsschätzers oder
Beobachters. Der Beobachter tritt dabei an die Stelle eines Differenzierers
zur Bestimmung des Geschwindigkeitssignals.
Vorteilhafterweise
ist die Soll-Trajektorie in Form einer Wertetabelle fest vorgegeben
und in einem geeigneten Steuergerät abgelegt. Das Steuergerät ist dabei
zur individuellen Anpassung der Wertetabelle an aktuelle Randbedingungen
des Aktuators ausgebildet.
In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird die Sollkurve durch die drei Werte Hub, Geschwindigkeit
und Magnetkraft zur Neuformulierung der Regelung entlang einer Sollkurve
definiert. Eine System-interne Umrechnung der Soll-Magnetkraft in den
Sollstrom und wieder zurück
mit starkem Bedarf an Speicherplatz und Rechenzeit kann damit entfallen.
Die
Magnetkraft wird in einer wesentlichen Weiterbildung als gesamte
gewünschte
Magnetkraft betrachtet, die sich aus zwei Bestandteilen zusammensetzt:
der Sollmagnetkraft, die zur Steuerung des Ankers entlang der jeweiligen
Sollkurve erforderlich ist und den Anker in bereits eingeregelten
Zustand dementsprechend auf der Sollkurve zu halten vermag, und
einem Korrekturanteil, der zur Überführung des
Ankers von einem beliebigen Punkt auf die Sollkurve und mithin zur
Ausregelung von Abweichungen erforderlich ist. In einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird diese Korrektur-Magnetkraft nach einem Standard-Entwurfsverfahren
der Regelungstechnik berechnet werden, wie z.B. der Zustandsregelung.
In
einer Ausführungsform
der Erfindung findet eine Regelung mit den vorstehenden Merkmalen Anwendung
auch auf die Haltephase, die nach dem Stand der Technik ohne eine
derartige Regelung bei entsprechend hohem Energieverbrauch betrieben wurde.
Als Sollkurve wird ein konstanter Hub in einer jeweils gewünschten
Endlage vorgegeben, als Soll-Geschwindigkeit der Wert Null. Durch
die Anwendung einer Regelung nach einem oder mehreren der vorstehend
beschriebenen Merkmale in der Haltephase wird einer erforderlicher
Stromfluss und damit eine Leistungsaufnahme des Aktuators dadurch in überraschend
hohem Maße
reduziert, weil ein jeweiliger Haltestrom bis auf einen kritischen
Wert abgesenkt werden kann. Diese Absenkung ist möglich, da
ein kurzzeitiges Wegfliegen des Ankers durch einen als Standard
vorgesehenen Sensor erkannt und von der Regelung sofort korrigiert
wird. Eine gewöhnliche
Stromregelung leistet dies nicht, da das Wegfliegen nicht erkannt
und folglich auch nicht korrigiert werden kann. Die Zuverlässigkeit
muss bei einer gewöhnlichen
Stromregelung durch einen erheblichen Sicherheitsabstand des Haltestroms
zu einem kritischen Wert und einen damit unmittelbar verbundenen
höheren
Energieaufwand sichergestellt werden. Dahingegen wird dieser Sicherheitsabstand
gemäß vorliegender
Regelung eingespart und der Energiebedarf gesenkt.
Es
ist erfindungsgemäß also mit
vermindertem Aufwand auf der Seite der Sensorik und bei erhöhter Genauigkeit
möglich,
einen Aktuator einer elektrischen Ventilsteuerung in einem Kraftfahrzeugmotor
in jedem der bekannten Betriebsfälle
zuverlässig
zu regeln. Auf der Basis eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine trajektorienbasierte
Regelung eines elektromagnetischen Aktuators in einer elektrischen
Ventilsteuerung in einem Kraftfahrzeugmotor mit Sollwerten für die Regelgrößen Hub
und Geschwindigkeit des Ankers sowie Stromfluss und/oder Magnetkraft
durch eine Spule eines jeweils fangenden Elektromagneten des Aktuators
unter Verwendung von bekannten Verfahren durchgeführt.
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt:
1: eine schematische Darstellung
eines bekannten elektromagnetischen Aktuators in einer geöffneten
Endlage;
2: stellt ein Regelungskonzept
als Blockschaltbild dar und
3a bis 3d: zeigen einzelne Phasen einer erfindungsgemäßen Regelung
während
eines Fangvorganges.
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 also maximal geöffnet. 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
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 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 Ventilschaft 2 des Hubventils 3.
An dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 abgewandten
Ende des Stößels 10 greift
ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an,
die in der dargestellten geöffneten
Endstellung entspannt ist.
Bei
der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System,
für welches
die Ventilschließfeder 7 und
die Ventilöffnungsfeder 11 eine
erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden. Je nach Federkraft kann 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.
In
einer hier nicht weiter dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems
ist das Hubventil 3 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des
Aktuators 1 liegt 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 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. Beim Durchlaufen
einer halben Periode einer Oszillationsbewegung des Ankers 4 im
Betriebsmodus "Vollhub" nähert sich
der Anker 4 im s.g. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf
einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und
Abbremsung ungefähr
S-förmig ist.
Beim
Betriebsmodus "Freiflug" wird auf eine Bestromung
der jeweils fangenden Elektromagnet-Spule 8, 9 verzichtet,
wenn sich der Anker 4 dem Joch nähert. Der Anker 4 setzt
daher nicht auf, sondern er ändert
seine Richtung in einem Abstand von einer Endlage entfernt und fliegt
zurück
noch bevor er das Joch erreicht. Mit dem "Freiflug" lässt
sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 erzielen,
da keine Klebzeit auftritt. 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 kommt
bei der Betrachtung eines geschlossenen Zyklus jedoch mindestens
noch die Klebzeit tK hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder von
einer Polfläche
abhebt.
Ein
Aktuator 1 stellt ein Regelungssystem dritter Ordnung dar,
für dessen
Regelung dementsprechend drei Regelgrößen benötigt werden. Die Einstellung
einer Periodendauer setzt nach bekannten Regelungskonzepten in beiden
dargestellten Betriebsarten eine möglichst genaue Kenntnis der
Größen Hub
z, Geschwindigkeit ż bzw.
v und Beschleunigung a als zweite zeitliche Ableitung des Hubes
z in einem Endphasenbereich einer Bewegung während des Fangvorgangs und
vor dem Aufsetzen des Ankers 4 auf einer jeweiligen Polfläche 12, 13 voraus. Dabei
ist jedoch bereits die Bestimmung der Geschwindigkeit z durch Ableitung
der Größe Hub z
relativ ungenau. Ein alternativ einzusetzender Geschwindigkeitssensor
ist teuer, aber auch hier würde sich
eine große
Unsicherheit hinsichtlich der Zuverlässigkeit eines jeweiligen Wertes
für die
Beschleunigung a ergeben.
Dieser
Nachteil wird in einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch
behoben, dass zur Regelung nur die Größen Hub z, Geschwindigkeit ż bzw. v
und ein Stromfluss l durch eine Spule 8, 9 eines
jeweils fangenden Elektromagneten als Regelgrößen genutzt werden, um eine
Regelung der Bewegung des Ankers 4 in dem Endphasenbereich durchzuführen. Ein
entsprechendes Regelungskonzept ist in der Abbildung von 2 als Blockschaltbild dargestellt.
Zur Regelung einer Sollbewegung des Ankers 4 ist ein Regler 14 vorgesehen,
dem zu jeweils aktuellen Ist-Werten der Regelgrößen z, ż bzw. v und l aus Solltrajektorien
dieser Regelgrößen abgeleitete
Soll-Werte aus einer Wertetabelle 15 vorgegeben werden.
Ein Beobachter 16 mit den Eingangswerten z und l dient
neben einer Glättung
der angelegten Ist-Werte einer Schätzung der Werte für die Geschwindigkeit ż bzw. v.
Als Ausgangssignal 17 des Beobachters 16 werden
die überarbeiteten Ist-Werte
von z und l zusammen mit Schätzwerten
für die
Geschwindigkeit v in den Regler 14 eingegeben. Eine nach
diesem Reglerkonzept von dem Regler 14 ausgegebene Spannung
U liegt dann zur Beeinflussung des Zustandes des Ankers 4 an
einer Spule des jeweils fangenden Elektromagneten des Aktuators 1 an.
Die
Abbildungen der 3a bis 3d zeigen einzelne Phasen
einer erfindungsgemäßen Regelung
während
eines Fangvorganges. Als Diagramm ist in der Abbildung von 3a eine an die Spule des fangenden
Elektromagneten angelegte Spannung U über der Zeit t dargestellt.
Ein dementsprechender Abschnitt für den zeitlichen Verlauf des
Hubes z, der Geschwindigkeit ż bzw.
v und des Stromverlaufes l(t) wird jeweils in den Abbildungen der 3b bis 3d skizziert wiedergegeben.
Beim
Durchlaufen verschiedener Phasen in einem Endbereich der Bewegung
des Ankers 4 wird jeweils zwischen zwei betragsgleichen
Spannungswerten durch den Regler in Abhängigkeit der Regelgrößen hin
und her geschaltet, wie in 3a dargestellt.
Der Endbereich der Bewegung des Ankers 4 wird durch eine
Fangphase FP zu einem Zeitpunkt t1 eingeleitet,
an die sich zu einem Zeitpunkt t2 eine Bremsphase
BP anschließt.
Im Wesentlichen greift die Regelung nach 2 in der Bremsphase BP maßgeblich
zur Beeinflussung der Bewegungszustände des Ankers 4 ein.
Der Einfluss der Regelung zeigt sich in den Verläufen von Hub z und Geschwindigkeit ż bzw. v
dadurch, dass der Hubverlauf stetig fortgesetzt wird und tangential
in eine Endlage zmax einmündet. Ebenso
wird der Verlauf der Geschwindigkeit ż bzw. v beim Übergang
von Fangphase FP hin zur Bremsphase BP stetig fortgesetzt und weist ungefähr in diesem Übergangspunkt
einen Wendepunkt auf, wobei der Verlauf der Geschwindigkeit mit dem
Erreichen der Endlage zmax zu einem Zeitpunkt
t4 hin tangential auf den Wert Null absinkt.
Im Betriebsmodus "Vollhub" setzt der Anker 4 also
ungefähr
mit der Geschwindigkeit 0 sanft und ohne Schlagen oder Prellen etc.
auf der Polfläche
des fangenden Elektromagneten auf.
Ein
zugehöriger
Stromverlauf l(t) ist als Kurve in der Abbildung von 3d wiedergegeben, wobei
der Stromfluss in der fangenden Spule mit der Annäherung des
Ankers 4 auch in die Bremsphase BP hinein erst noch in
charakteristischer Weise ansteigt, bevor er zu einem Übergang
der Bremsphase BP in eine Haltephase HP hin auf einen vorbestimmten Wert
eines Haltestroms Ih absinkt.
In
der Haltephase HP wird der Anker 4 sicher auf der Hub-Position
zmax der Endlage gehalten. Hierzu wird über die
Spannung U in der Spule ein Haltestrom Ih eingestellt.
Um sicherzustellen, dass sich der Anker 4 nach dem Aufsetzen
auf der Polfläche
nicht doch wieder von dem Elektromagneten abhebt und sich beispielsweise
während
des Aufsetzens ein Prellvorgang ausbildet, wird in einer Ausführungsform
der Erfindung direkt mit Beginn der Haltephase HP eine Stromrampe 18 mit
ungefähr
exponential abklingender Flanke vorgesehen, wie in der Abbildung von 3d in gestrichelter Form
angedeutet.
In
einer alternativen und hier nicht weiter dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird kein Beobachter 16 verwendet. Das Signal
der Hubverlaufes z wird zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals ż(t) einfach
unter Hinzunahme bekannter Maßnahmen
zur Fehlerreduktion differenziert.
Der
Regler 14 der vorstehenden Ausführungsformen ist jedoch stets
komplexer als ein aus dem Stand der Technik bekannter Regler, die
Messungen zu Ermittlung der Ist-Werte der Regelgrößen ist
jedoch bei gestiegener Zuverlässigkeit
durch die Verwendung des Stromverlaufs l(t) wesentlich vereinfacht
worden. Auf die in der Beschreibungseinleitung zitierte Literatur
zum Reglerentwurf wird als eine hier eingesetzte Möglichkeit
zur Ausführung
eines erfindungsgemäßen Konzeptes
ausdrücklich
verwiesen.
In
einer nicht weiter dargestellten alternativen Ausführungsform
wird zur weiteren Minderung der benötigen Rechenzeit und des Speicherplatzbedarfes
ein Regelungsverfahren unter Berücksichtigung
von Sollwerten Hub z und Geschwindigkeit v des Ankers sowie statt
des Stromflusses l durch eine jeweils fangende Spule eine jeweils
erforderliche Magnetkraft Fm als Sollwert
Fsoll gewählt werden. Der Regler wird
nach dieser neuen Vorgabe an diesen Satz von Sollwerten angepasst.
Aus einem derartigen Ansatz ergeben sich als Vorteile unmittelbar, dass
eine Systeminterne Umrechnung einer jeweiligen Soll-Magnetkraft
in einen Soll-Strom und von dem Sollstrom in die Soll-Magnetkraft
wieder zurück damit
entfallen kann. Ein andernfalls relativ hoher Bedarf an Speicherplatz
und Rechenzeit kann damit wesentlich gemindert werden.
Aus
einer jeweils gewünschten
Magnetkraft F
m wird gemäß der Offenbarung der
DE 102 05 383.9 ein gewünschter
Strom ĩ und
darauf aufbauend nach der Offenbarung der
DE 102 05 385.5 eine gewünschte Spannung ũ berechnet.
Weiterhin wird die gewünschte
Magnetkraft F
m präziser als Summe mit zwei unterschiedlichen
Anteilen bestimmt als F
m = F
soll +
F
korr: Eine Soll-Magnetkraft F
soll wird
bestimmt, die zum Führen
des Ankers
4 entlang einer jeweiligen Sollkurve erforderlich
ist. Die Soll-Magnetkraft
F
soll hält
den Anker
4 demnach lediglich auf der Sollkurve, wenn er
bereits auf der Kurve liegt. Die Soll-Magnetkraft F
soll wird
in einfacher Weise aus dem Sollverlauf und der Federkraft bestimmt.
Ein Korrekturfaktor in Form einer Korrektur-Magnetkraft F
korr wird in seiner Größe so bemessen, dass sie den
Anker
4 von einem beliebigen Punkt aus auf die Sollkurve
zu bringen vermag. Sie regelt Abweichungen von der Sollkurve aus.
Die Korrektur-Magnetkraft F
korr wird dazu
gemäß einem
Standard-Entwurfsverfahren der Regelungstechnik bestimmt, in diesem
Ausführungsfall
nach der Zustandsregelung.
Eine
vorstehend beschriebene Regelung wird in einem Ausführungsbeispiel
auch außerhalb der
eigentlichen Bewegungsphasen, also außerhalb der Zeitabschnitte einer
Bewegung des Ankers 4 zwischen den Polflächen 12, 13 des
Aktuators 1, in den Haltephasen HP gemäß der Figurenfolge 3a bis 3d angewendet.
Als Sollkurve wird dem Regler ein konstanter Hub z einer jeweils
gewünschten
Endlage vorgegeben. Als Soll-Geschwindigkeit wird der Wert Null
vorgegeben. Damit ist der Regler unter Vermittlung eines standardmäßig in dem
Aktuator 1 vorgesehenen und daher nicht weiter dargestellten
Sensors in der Lage, ein auch kurzzeitiges Wegfliegen des Ankers 4 während der
Haltephase HP sicher zu erkennen. Als Reaktion wird von der Regelung
sofort eine Korrektur eingeleitet, während bekannte Regelungen für diesen
Fehlerfall im Prinzip blind sind und dementsprechend hohe Sicherheitsmargen
für eine Bestromung
in einer Haltephase HP vorsehen müssen. Dieser erhebliche Sicherheitsabstand
des Haltestroms Ih zu einem jeweils von
einer Aktuator-Bauart abhängigen,
kritischen Wert des Haltestroms und ein damit unmittelbar verbundener
höherer
Energieaufwand kann damit gegenüber
bekannten Regelverfahren bei erhöhter
Funktionssicherheit eingespart werden.