DE10318245A1

DE10318245A1 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE10318245A1
Application number: DE10318245A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Reif
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: DE10318245B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird. DOLLAR A Um ein Verfahren zur energiesparenderen und verbesserten Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Regelung in Form einer 3-Punkt-Regelung durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen, d.h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben- Brennkraftmaschine werden von derartigen Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d.h. 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 Hubventil es 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 Elektromagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". In Bezug auf einen prinzipiellen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators wird auch auf die Abbildung von 1 der beigefügten Zeichnung verwie sen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in einer der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt.
Ein elektromagnetischer Aktuator kann zur Einstellung einer vorgegebenen Schaltzeit, während der das Hubventil geöffnet ist, 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 Totpunkt- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen der jeweilig zugehörigen Elektromagnet-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. Dabei nähert sich der Anker beim Fangvorgang 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 den 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 Aktuatorverschleiß 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.

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. Alternativ 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.

Beiden Betriebsmodi, also "Vollhub" und "Freiflug", ist gemeinsam, dass die Bewegung des Ankers mindestens in der Bremsphase vor dem Auftreffen des Ankers auf eine Polfläche durch eine Regelung beeinflusst wird. Dies erfolgt beispielsweise nach der Lehre der EP 0 973 178 A2 durch Ab- und Zuschalten der elektrischen Spannung. Nach dem Stand der Technik hat es sich insgesamt auch bewährt, eine Ist-Bewegung des Ankers mit einer Soll-Bewegung durch Anlegen einer geregelten Spannung in Übereinstimmung zu bringen. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie, geeignete Mittel zur Erfassung eines aktuellen Wertes bzw. Ist-Wertes 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.

Aus der bereits zitierten EP 0 973 178 A2 ist beispielsweise bekannt, dass zu diesem Zweck ein Schaltregler mit einer s.g. Sliding Mode Control vorgesehen ist. Es wird demnach ein Schaltkriterium s definiert, das die Abweichung einer Zustandgrößen des aktuellen Bewegungszustandes für den Aktuator von der gewünschten Solltrajektorie in einer geeigneten Weise gegeneinander gewichtet und aufsummiert. Je nach Vorzeichen des Schaltkriteriums wird die Spulenspannung zu U_max oder –U_max mit U_max > 0 gewählt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Spulenspannung nur zu definierten Abtastzeitpunkten t_i geändert werden kann. Die zu Beginn des Abtastintervalls eingestellte Spulenspannung wird also während des gesamten Abtastintervalls [t_i, t_i+1) konstant gehalten.

Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass unabhängig von einem jeweiligen Betriebsfall der Regler stets eine hohe Aktivität aufweist. Die Spule wird immer mit einer Maximalspannung beaufschlagt, was hohe elektrische Verluste sowie eine dementsprechende Wärmeentwicklung in der Spule hervorruft, so dass sich ein derartiges Aktuator durch eine stark erhöhte elektrische Leistungsaufnahme auszeichnet. Zudem führt der Aktuator Bewegungen um die Solltrajektorie herum aus, was sich als Pendeln oder Schwingen auswirken und unerwünschter Weise eine erhöhte Ungenauigkeit in der Ortsbestimmung mit sich führen und sich direkt bei der Einstellung einer Schaltzeit sehr nachteilig bemerkbar machen kann. Eine wesentliche Aufgabe bei der Steuerung der Bewegung eines Ankers bei einem s.g. elektromagnetischen Ventiltrieb EVT besteht jedoch in der möglichst genauen Einstellung einer jeweiligen Schaltzeit oder Periodendauer, mit welcher der Anker zwischen den zwei Elektromagnet-Spulen oszillierend hin- und herbewegt wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur energiesparenderen und verbesserten Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer dementsprechenden Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass eine 3-Punkt-Regelung verwendet wird und dass in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein dementsprechender 3-Punkt-Regler vorgesehen ist. Anstatt immer zwischen den Maximalspannungen hin- und herzuschalten wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein Bereich definiert, in dem die Spule mit der Spannung 0V beaufschlagt wird. Dieser Bereich wird durch Grenzen –ε und ε für das Schaltkriterium festgelegt, wobei ε > 0 gilt. Dadurch ergibt sich, dass die Stellgröße, insbesondere die Spannung U, als Funktion der Zeit t nicht nur ununterbrochen entweder zwischen den Werten U_max und –U_max hin- und hergeschaltet wird oder aber auf einem jeweiligen maximalen Spannungspegel gehalten wird. Erfindungsgemäß kann die Spannung durch den 3-Punkt-Regler zwischendurch auch den Wert Null annehmen, nämlich insbesondere immer dann, wenn das Schaltkriterium innerhalb der Grenzen –ε und ε eingehalten wird. Durch eine insgesamt geringere Regleraktivität wird bei verbessertem Reglerverhalten auch elektrische Energie eingespart.

Damit ergibt sich aus einem erfindungsgemäßen Ansatz als ein unmittelbarer Vorteil also, dass die Regleraktivität im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringer ist, wobei die Regelung weiterhin in einem festen Zeitraster vorgenommen wird. Damit geht eine erhebliche Minderung der elektrischen Verluste gegenüber bekannten Vorrichtungen einher. Schließlich wird auch die Sollbahn besser eingehalten, da durch verminderte und nicht so heftige Reglereingriffe u.a. ein Schwingen des Ankers um die Bahn der Soll-Trajektorie herum weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Um den Anker erfindungsgemäß zu regeln, können durch den Fachmann in geeigneter Weise angepasste Regelungen beispielsweise basierend auf den Offenbarungen der Druckschriften EP 0 973 178 A2 , DE 198 34 548 A1 und DE 100 12 988 A1 vorgestellten Methoden und Regelungsverfahren eingesetzt werden.

Bevorzugt enthält dabei die Soll-Trajektorie über bzw. in Abhängigkeit von der Zeit Werte für die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet werden, sowie für die Geschwindigkeit des Ankers und für dessen Beschleunigung oder für den Strom einer jeweils fangenden Spule. Es handelt sich in einem Fall also quasi um eine einfache Wertetabelle, die in einer Ausführungsform der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist. Eine rechnerische Anpassung an einen individuellen Fall ist in einer Weiterbildung vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Soll-Trajektorie in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen jeweils individuell berechnet.

Zudem arbeitet ein Regler in einer Ausführungsform der Erfindung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung auftretender Wirbelströme und in einer Weiterbildung der Erfindung unter Verwendung eines Zustandsschätzers.

Zur weiteren Verbesserung des Folgeverhaltens des Ankers gegenüber der Regelungsvorgabe und zur zusätzlichen Senkung des Energieverbrauches wird in einer wesentlichen Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Verwendung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals als Eingangsgröße für die jeweiligen Elektromagnet-Spulen des Aktuators anstelle eines ganz starren Zeitrasters vorgeschlagen. Durch eine nun in weiten Bereichen mögliche flexible Einstellung der Weiten der Spannungspulse bei konstanter Höhe wird erreicht, dass die Regleraktivität zusätzlich gesenkt wird.

Alternativ und/oder zusätzlich wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine Interpolation zwischen den Maximalwerten des Ausgangssignals durchgeführt, insbesondere eine lineare Interpolation zwischen den maximalen Werten. Damit ergeben sich als Ergebnis der beiden vorstehend genannten und unter Bezug auf Abbildungen der nachfolgenden Zeichnung noch näher beschriebenen Verfahrensweiterbildungen einzeln oder auch in Kombination am Steuerungsausgang Spannungswerte, die zwischen den zuvor starren Maximalbeträgen liegen. Eine Einstellung fast kontinuierlicher Spannungswerte als Spannungszwischenwerte wäre am Ausgang einer Endverstärkerstufe eines erfindungsgemäßen Reglers in einfacher Weise nur über einen ohmschen Spannungsteiler realisierbar, der jedoch relativ hohe Verluste verursachen würde. Daher werden diese Werte unter wesentlicher Minderung einer beispielsweise aus einem Bordnetz aufgenommenen und an den Aktuator abzugebene Leistung über das Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation an einer jeweiligen Spule eingestellt.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass das Intervall des Schaltkriteriums s unsymmetrische Grenzen –δ, ε aufweist. Durch diese Unsymmetrie kann eine Regelabweichung in der Praxis überraschender Weise noch schneller ausgeglichen, als dies eigentlich vom Fachmann erwartet wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: einen bekannten elektromagnetischen Aktuator in einer geöffneten Endlage;
2: einen zeitlichen Verlauf des Ankerhubs in den Betriebszustände "Vollhub" und "Freiflug";
3: einen Verlauf einer Spulenspannung als Funktion des Schaltkriteriums eines bekannten Reglers;
4: einen zeitlichen Verlauf einer Spulenspannung als Stellgröße in einem Aktuator nach 1 unter Verwendung des Reglers nach 3;
5: einen Verlauf der Spulenspannung als Funktion des Schaltkriteriums eines erfindungsgemäßen Reglers;
6: eine beispielhafte Darstellung eines zeitlichen Verlaufs der Spannung einer Spule unter Verwendung des Reglers nach 5;
7: einen Verlauf der Spulenspannung als Funktion des Schaltkriteriums eines Reglers mit unsymmetrische Grenzen für ein Intervall des Schaltkriteriums;
8: einen zeitlichen Verlauf der Spannung einer Spule unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform des Reglers und
9 einen weiteren Verlauf der Spulenspannung bzw. dessen Tastverhältnisses als Funktion des Schaltkriteriums für einen Regler.
In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. Dazu drückt ein Stößel 10 des Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf das Hubventil 3. 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. Am 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. 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. Ein Pfeil P deutet eine nun unmittelbar anschließende Schließbewegung an.
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, wie in der Abbildung von 2 mit einer Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Ankerhubs für den Fall eines Vollhubs skizziert. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt, dass der Anker 4 das Joch erreicht, zu einem Zeitpunkt t_A aufsetzt und dort verweilt. Die Verweilphase dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule z.B. durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr eingeleitet wird. Das Ablösen des Ankers geschieht in der Regel zu erst einem Lösezeitpunkt t_L und damit zeitlich verzögert zu einem Einleitungszeitpunkt t_E mit dem Beginn einer veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit t_K genannt.
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 Δz von einer Endlage z_e 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 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 Zykluszei ten Δt realisiert werden sollen, die klein gegenüber einer für eine volle Öffnung des Hubventils 3 notwendigen Zeit t_A sind.
Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4, also eine Schaltzeitspanne Δt, 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 im "Vollhub"-Modus kommt dagegen mindestens noch die Klebzeit t_K hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder auf einer Polfläche aufsetzt.
Ein großer Nachteil des bisherigen Standes der Technik besteht also darin, dass die beiden Betriebsfälle "Freiflug" und "Vollhub" mindestens im Bereich einer Endphase der Bewegung, also kurz vor dem Erreichen eines Totpunktes mit oder ohne Anschlagen des Ankers 4 auf einer Polfläche 12, 13 eines der beiden Elektromagnete 8, 9 eine Regelung zur genaueren Einstellung einer Schaltzeitspanne Δt im Sinne einer Periodendauer der Gesamtbewegung vorgesehen ist, wobei diese Regelung eine Regelcharakteristik nach der Abbildung von 3 aufweist. Es wird ein Schaltkriterium s definiert, das die Abweichung der Zustandgrößen des aktuellen Bewegungszustandes für den Aktuator von der gewünschten Solltrajektorie in einer geeigneten Weise gegeneinander gewichtet und aufsummiert. Je nach Vorzeichen des Schaltkriteriums wird die Spulenspannung zu U_max oder –U_max mit U_max > 0 gewählt, wie in der Abbildung von 3 skizziert dargestellt ist.
Des Weiteren ist zu beachten, dass die Spulenspannung nur zu definierten Abtastzeitpunkten t_i geändert werden kann. Die zu Beginn des Abtastintervalls eingestellte Spulenspannung wird während des gesamten Abtastintervalls [t_i, t_i+1) konstant gehalten, wie in der Abbildung von 4 dargestellt ist.
Zur Verbesserung wird ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung vorgeschlagen, in der ein 3-Punkt-Regler verwendet wird. Anstatt immer zwischen den Maximalspannungen hin- und herzuschalten wird ein Bereich definiert, in dem die Spule mit der Spannung 0V beaufschlagt wird, wie es in der Abbildung von 5 dargestellt ist. Dieser Bereich wird durch die Grenzen –ε und ε für das Schaltkriterium festgelegt, wobei ε > 0 gilt.
Dadurch ergibt sich, dass die Spannung U als Funktion der Zeit t nicht nur zwischen den Werten U_max und –U_max hin- und hergeschaltet wird, sondern auch zwischendurch den Wert Null annehmen kann, wie in der Abbildung von 6 angedeutet ist.
Durch die Verwendung eines Dreipunkt-Reglers zur Regelung eines EVT-Aktuators in einer elektrischen Ventilsteuerung in einem Kraftfahrzeugmotor ergeben sich demnach u.a. folgende Vorteile:

– Die Regleraktivität wird wesentlich geringer.
– Die elektrischen Verluste werden gegenüber dem Stand der Technik erheblich gemindert.
– Die Sollbahn wird besser eingehalten, insbesondere durch eine Vermeidung der Anregung von Pendelschwingungen um eine Sollbahn herum.
– Messung und/oder Schätzung der Betriebsparameter des Ankers, also insbesondere Hub und Geschwindigkeit, werden zuverlässiger.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Intervall des Schaltkriteriums s unsymmetrische Grenzen –δ, ε auf, wie in 7 analog zu 5 skizziert. Durch diese Unsymmetrie, also |δ| ≠ |ε|, kann eine Regelabweichung in der Praxis überraschender Weise noch schneller ausgeglichen, als dies eigentlich vom Fachmann erwartet wird. Ein Erklärungsversuch dieses positiven Effektes beruht darauf, dass durch die gewählte Unsymmetrie der Tatsache Rechnung getragen werden kann, dass auch die Magnetkraft einen unsymmetrischen Verlauf zeigt. Damit kann die Reglertätigkeit also noch weiter herabgesetzt werden.
In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung arbeitet ein Regler mit einer vorgegebene Solltrajektorie, die eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum beschreibt. Hier wird also die Bahnkurve des Ankers 4 des Aktuators 1 zwischen den beiden Polflächen 12, 13 der Elektromagnetspulen 8, 9 in Abhängigkeit von der Zeit als Werte für die Position des Ankers bzw. als Wertepaare von Weg- und Zeitkoordinaten sowie Angaben für Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers oder des Stroms durch eine jeweils fangende Spule in Abhängigkeit von der Zeit vorgegeben.
Es handelt sich mithin um eine einfache mehrdimensionale Wertetabelle, die fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist oder während der Bewegung in Echtzeit berechnet wird. Individuelle Abweichungen werden durch die Vorgabe von jeweiligen Randbedingungen jeweils eingerechnet.
Zudem arbeitet ein Regler in einer Ausführungsform der Erfindung unter Berücksichtigung auftretender Wirbelströme unter Verwendung eines Zustandsschätzers.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein bekannter Dreipunkt-Regler zusammen mit einem Aktuator 1 nach 1 eingesetzt. Die Einstellung der Schwellenwerte ε sowie der Spannungswerte U_max sind in jedem Anwendungsfall individuell vorzunehmen, vorzugsweise auf der Basis von Simulationen und Messungen an Experimenten.
In einer ebenfalls zeichnerisch nicht weiter dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur weiteren Verbesserung des Folgeverhaltens des Ankers gegenüber der Regelungsvorgabe und zur zusätzlichen Senkung des Energieverbrauches eine Modellbildung und Regelung des Aktuators 1 mit einem Zwei- oder Dreipunktregler vorgeschlagen. Hierbei kann einer erfindungsgemäße Lehre mit einer oder mehreren der vorstehend ausgeführten Weiterbildungen mit eingesetzt werden. Um das mathematische Modell des Aktuators 1 entwerfen zu können wird nach dem Stand der Technik das dynamische Verhalten des Aktuators 1 durch folgende Differentialgleichungen beschrieben:
Dabei wurden folgende Bezeichnungen verwendet:
v Geschwindigkeit des Ankers 4
z Wegkoordinate bzw. Hub des Ankers 4
c positive Konstante: Federkonstante
d positive Konstante: Dämpfungskonstante
i Spulenstrom
u Spannung an der jeweiligen Spule 8, 9
F_mag Magnetkraft als nichtlineare Funktion von z und i sowie
α, β als nichtlineare Funktionen von z, v und i, die von dem Magnetmodell abhängen.
Der Entwurf der Regelung wird in zwei Schritte untergliedert als Entwurf der Regelung der Mechanik und davon getrennt der Entwurf der Regelung des Spulenstroms:
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 Föllinger: 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 t F ~ = F_mag(z, i ~) zu bewirken. Nun wird an der Spule entweder eine Spannung u von +42V oder –42V angelegt, je nachdem, ob der tatsächliche Spulenstrom i größer oder kleiner als der Strom i ~ ist:
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann dazu für i ≈ i ~ die Spannung u = 0 in dem Intervall (i ~ – ε, i ~ + ε) angelegt werden, d.h. u = 0 für –ε ≤ i – i ~ ≤ ε
Ferner wird in einer Ausführungsform die Sollspannung berücksichtigt. Ausgangspunkt hierzu ist die Tatsache, dass die Bewegung des Aktuators 1 einer vorgege benen Sollkurve folgen muss. Die Spannung u_soll, die notwendig ist, um entlang dieser Sollkurve zu steuern, kann durch Auflösen der Gleichung
nach u und einsetzen der Sollwerte berechnet werden:
Die Regelung muss sicherstellen, dass für z ≈ z_soll, i ≈ i_soll und v ≈ v_soll die Bedingung u ≈ u_soll erfüllt ist. Das wird in einer Ausführungsform der Erfindung durch ein Regelungssignal der folgenden und beispielhaft in der Darstellung von 8 skizziert wiedergegebenen Form erreicht:
Ferner wird in einer alternativen Ausführungsform eine Interpolation zwischen den Maximalwerten durchgeführt. Für i ≈ i ~ wird die Spannung U in linearer Weise zwischen den Maximalwerten interpoliert, wie in der Abbildung von 9 skizziert. Der Term i ~ –i wird dabei als Schaltkriterium s interpretiert, so dass sich der Kurvenlauf nach 9 ergibt. Für mögliche Ausgangswerte des Spannung u ergeben sich demnach die folgenden drei generell voneinander verschiedene Zustände bzw. Bereiche:
Die im Zuge der Interpolation im zweiten Zustand auftretenden Zwischenwerte verursachen relativ hohe ohmsche Verluste in einer Leistungsendstufe einer Regelvor richtung, in dem zur quasi stufenlosen Einstellung i.d.R. Spannungsteilerkaskaden vorgesehen sind. Vorteilhafterweise wird ein jeweiliges Ausgangssignal in einer Ausführungsform der Erfindung zur Senkung der Verlustleistung des Reglers einer Pulsweitenmodulation unterzogen, so dass weiterhin nur zwischen den vorgegebenen Maximalwerfen der Spannung von hier 42V geschaltet wird. Diese Pulse werden nun aber nicht mehr über die gesamte normale Dauer t_t, sondern nur noch über einen kleinen Abschnitt Δt_t ausgegeben, so dass sich flächengleiche Rechtecke bei einem angepassten Tastverhältnis Δt_t: t_t ergeben, wie in der Darstellung von 8 durch den Pfeil angedeutet.
Die lineare Interpolation kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch mit der Ausgabe der Sollspannung kombiniert werden:
Damit wird nach einem erfindungsgemäßen Verfahren eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit unter Realisierung von Energieeinsparung und einer Verlängerung der Lebensdauer eines Aktuators erreicht.

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
i: Spulenstrom
s: Schaltkriterium
ε: Grenze für das Schaltkriterium s
t: Zeit
t_A: Anschlagzeitpunkt
t_E: Einleitungszeitpunkt
t_K: Klebzeit
t_L: Lösezeitpunkt
t_i: Abtastzeitpunkten
t_t: Tastbreite
Δt_t: kleinerer zeitlicher Abschnitt
Δt: Schaltzeitspanne
T: einstellbare Zeitspanne einer Schwebe im Pseudo-Freiflug Modus
u: Spulenspannung
U_max: maximale Spulenspannung
U_z: Spannungszwischenwert
z: Wegkoordinate des Ankers 4
z₀: Startwert (Schließstellung)
z_e: Endwert / maximale Öffnungsstellung
z₁: maximaler Wert bei Freiflug
Δz: Differenzwert zur maximalen Öffnung

Claims

Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in Form einer eine 3-Punkt-Regelung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Stellgröße, insbesondere für eine an einer Spule eines Elektromagneten (8, 9) anliegende Spannung (u), immer dann ein neutraler Wert, vorzugsweise der Wert Null, angelegt wird, wenn ein Schaltkriterium (s) innerhalb eines Intervalls detektiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Intervall des Schaltkriteriums (s) symmetrische Grenzen (–ε, ε) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße Spannung (u) als Funktion der Zeit (t) in Abhängigkeit des Schaltkriteriums (s) die Werte U_max, 0, oder –U_max annimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Grundlage einer Soll-Trajektorie in einem Raster mit festen Zeitschnitten oder fester Tastbreite (t_t) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler unter Berücksichtigung auftretender Wirbelströme arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler unter Verwendung eines Zustandsschätzers arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal (u) als Eingangsgröße für die jeweilige Elektromagnet-Spule (8, 9) des Aktuators (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Interpolation zwischen Maximalwerten des Ausgangssignals durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Interpolation zwischen den maximalen Werten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Aktuator (1) abzugebene Leistung über das Tastverhältnis (Δt_t: t_t) einer Pulsweitenmodulation an einer jeweiligen Spule (8, 9) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Intervall des Schaltkriteriums (s) unsymmetrische Grenzen (–δ, ε) aufweist.
Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), in dem der Anker (4) axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) verschieblich angeordnet ist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen 3-Punkt-Regler umfasst.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Soll-Trajektorie in Form einer Wertetabelle fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist, die insbesondere zur individuellen Anpassung an aktuelle Randbedingungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals (u) als Eingangsgröße für die jeweilige Elektromagnet-Spule (8, 9) des Aktuators (1) umfasst.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausgabe eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals (u) mit einstellbarem Tastverhältnis (Δt_z: t_t) ausgebildet ist.