DE10318246A1

DE10318246A1 - Controlling electromagnetic actuator armature in IC engine of vehicle, carrying out regulation taking into account change in direction of magnetic flux in armature achieved by reversing polarity of coils

Info

Publication number: DE10318246A1
Application number: DE10318246A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Reif; Martin Lamprecht
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

Abstract

The method involves moving the armature (4) in an oscillatory manner between the pole faces of two electromagnetic coils (8,9) against the force of at least one restoring spring (7) by alternately passing current through the electromagnetic coils and carrying out regulation taking into account the change in direction of the magnetic flux in the armature. The change in direction is achieved by reversing the polarity of the associated coils in the individual movement phases. An independent claim is also included for the following: (a) an arrangement for controlling the movement of an armature of an electromagnetic actuator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Ventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker ungefähr oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder vorzugsweise durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.The The present invention relates to a method for controlling movement an armature of an electromagnetic actuator, in particular for actuating a Gas exchange valve of an internal combustion engine for a motor vehicle, wherein the anchor roughly oscillating between pole faces two electromagnetic coils each against the force of a return spring preferably by alternating energization of the electromagnetic coils is moved.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen. In Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden Gaswechsel-Hubventile durch derartige Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb, kurz auch als EVT bezeichnet, werden die Hubventile einzelnen oder auch in Gruppen über elektromechanischen Stellglieder, die sog. Aktuatoren, bewegt. Dabei kann der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventils oder eine Schaltzeitspanne im wesentlichen frei gewählt werden. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweiligen durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand, sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschinen angetriebenen Fahrzeugs angepasst werden.On preferred application for an electromagnetic actuator with the features of the preamble of claim 1 is the electromagnetically actuated valve train of internal combustion engines. Gas reciprocating valves are used in reciprocating piston internal combustion engines such actuators in the desired Operated way d. H. opened oscillating and closed. With such an electromechanical valve train, Also referred to as EVT for short, the globe valves are individual or also in groups over electromechanical actuators, the so-called actuators. there may be the time for opening and closing each stroke valve or a switching period essentially free chosen become. This can the valve timing of the internal combustion engine optimally to a particular one current operating status defined by speed and load, and to the respective requirements with regard to consumption, torque, emissions, Comfort and responsiveness of one of the internal combustion engines driven vehicle can be adjusted.

Ein zu diesem Zweck eingesetzter bekannter Aktuator umfasst als wesentliche Bestandteile einen Anker, der zwischen Polflächen von zwei Elektromagneten axial verschieblich angeordnet ist und in Ruhe durch mindestens ein Federelement in einer Mittellage zwischen den beiden Polflächen gehalten wird. Der Antrieb des als Hubventil ausgebildeten Gaswechsel-Ventils erfolgt über einen Stößel, der mit dem Anker des Aktuators starr verbunden ist. In einer geschlossenen Stellung des Ventils befindet sich der Ventilteller in einem Ventilsitz, und der Anker des Aktuators befindet sich gegen die Rückstellkraft des Federelements in Anlage mit der Polfläche der Schließerspule. Zum Öffnen des Hubventils wird der Anker des Aktuators von der Schließerspule abgelöst und in Richtung auf die Öffnerspule zu bewegt. Hierbei wirkt der Stößel des Aktuators auf einen Ventilschaft des Hubventils zur Kraftübertragung gegen die Kraft einer Rückstellfeder ein.On Known actuator used for this purpose includes essential ones Components an armature that is between pole faces of two electromagnets is axially displaceable and at rest by at least a spring element is held in a central position between the two pole faces becomes. The drive of the gas exchange valve designed as a lift valve takes place via a pestle that is rigidly connected to the armature of the actuator. In a closed Position of the valve, the valve disc is in a valve seat, and the armature of the actuator is against the restoring force of the spring element in contact with the pole face of the closer coil. To open of the globe valve becomes the armature of the actuator from the make coil superseded and towards the opening coil too moved. The plunger of the Actuator on a valve stem of the lift valve for power transmission against the force of a return spring on.

Ein elektromagnetischer Aktuator kann in bekannter Weise so angetrieben werden, dass der Anker in beiden Totpunkts- oder Endlagen in Anschlag mit Polflächen in der jeweilig zugehörigen Elektromagnet-Spulen gebracht wird. 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. Ablösephasen unterteilt. Beim Fangvorgang nähert sich der Anker einem der beiden Elektromagnete. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird zum Aufbau einer geeigneten Magnetkraft derart bestromt, dass der Anker die Polfläche des Elektromagneten in vorbestimmter Weise erreicht, aufsetzt und dort verweilt. Der Verweilvorgang dauert solange, bis ein Ablösen des Ankers vom Joch bzw. der Polfläche durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Elektromagnet-Spule des Aktuators eingeleitet wird, was beispielsweise durch ein Unterbrechen des Stroms oder durch eine Stromumkehr im Haltemagneten bewirkt werden kann. Das Ablösen des Ankers von der jeweiligen Polfläche des in einem vorangehenden Zeitschritt fangenden Elektromagneten geschieht i. d. R. zeitlich verzögert zu einer in vorstehend aufgezeigter Weise veränderten Bestromung der Spule. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit genannt, die bei der Einstellung einer Schaltzeitspanne eines Aktuators zur Regelung eines Ventils stets zu berücksichtigen ist.On The electromagnetic actuator can be driven in a known manner that the anchor stops in both dead center or end positions pole faces in the respective associated Electromagnet coils is brought. This sequence of movements between The two end positions "lift valve open" and "lift valve closed" are based on the status the technology in time in the continuously successive Phases capture process, dwell phase with an additional adhesive time and peeling or peeling phases divided. When catching approaches the armature of one of the two electromagnets. The one about this electromagnet belonging The coil is energized to build up a suitable magnetic force that the anchor is the pole face of the electromagnet in a predetermined manner, touches down and there lingers. The dwell process lasts until the Anchor from the yoke or the pole face a suitable energization of the corresponding solenoid coil of the actuator is initiated, for example by interrupting of the current or caused by a current reversal in the holding magnet can be. The peeling of the armature from the respective pole face in a previous Time step catching electromagnet happens i. d. R. in time delayed to a change in the current supply to the coil as shown above. This time delay is called sticking time, which when setting a switching period of a Always consider actuator for regulating a valve is.

Von dem vorstehend beschriebenen Betriebsmodus "Vollhub" ist ein Betrieb des elektromagnetischen Aktuators im sog. "Freiflug" zu unterscheiden. Beim Freiflug wird beispielsweise auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule verzichtet, wenn sich der Anker dem Joch bzw. der Polfläche des fangenden Elektromagneten nähert. Der Anker setzt daher im Gegensatz zum "Vollhub" im "Freiflug"-Betrieb nicht auf, sondern er ändert seine Richtung und fliegt noch bevor er das Joch erreicht zurück. Mit dem "Freiflug"-Betrieb lässt sich so eine sehr kurze Abfol ge aus Hin- und Rückflug des Ankers erzielen und eine entsprechend kurze Öffnungszeit einstellen, da zwischen dem Hin- und dem Rückflug keine Klebzeit auftreten kann.Of The "full stroke" operating mode described above is an operation of the electromagnetic Distinguish actuators in the so-called "free flight". During free flight, for example, the catcher is energized Electromagnetic coil is dispensed with if the armature joins the yoke or the pole face of the catching electromagnet is approaching. In contrast to the "full stroke" in "free flight" mode, the anchor therefore does not touch, but changes its direction and flies back before it reaches the yoke. With the "free flight" operation achieve a very short sequence of the anchor's outward and return flight and set a correspondingly short opening time, since none between the outbound and the return flight Gluing time can occur.

Die Dauer einer Bewegungsabfolge 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. Diese Freiflug-Strecke ist dabei gegenüber einem maximal möglichen Hub des Ankers in dem elektromagnetischen Aktuator reduziert. Damit wird sichergestellt, dass der Anker nicht in Anlage mit einer Polfläche eines jeweils fangenden Elektromagneten gerät. Nur in einem geschossenen Zustand wird im Rahmen dieses Verfahrens i.d.R. eine Klebzeit als additiver Term in Kauf genommen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen kommt also im "Vollhub"-Betrieb gegenüber dem "Freiflug"-Betrieb mindestens noch die Klebzeit hinzu.The The duration of a sequence of movements from the return flight of the anchor consists only of the "free flight" Time the anchor needs to fly the route from one yoke to the opposite and back again. This free flight route is compared to a maximum possible stroke of the armature in the electromagnetic actuator is reduced. In order to it is ensured that the armature is not in contact with a pole face of a each catching electromagnet device. Only in a shot As a rule, the status is determined as part of this procedure. a sticking time as additive term accepted. With a sequence of two catches comes at least in "full stroke" mode compared to "free flight" mode add the sticking time.

Ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik besteht also insbesondere darin, dass die beiden Betriebsfälle "Freiflug" und "Vollhub" bezüglich der zeitlichen Dauer nicht stetig ineinander überführt werden können. Die zeitliche Differenz zwischen der maximalen Dauer eines "Freiflugs" und der minimalen Dauer eines "Vollhubs" besteht mindestens aus der Klebzeit, wie vorstehend beschrieben. Eine wesentliche Aufgabe bei der Steuerung der Bewegung eines Ankers bei einem sog. elektromagnetischen Ventiltrieb EVT besteht jedoch in der möglichst genauen, einer jeweiligen Anforderung entsprechenden kontinuierlichen Einstellung einer jeden Periodendauer, binnen welcher der Anker zwischen den zwei Elektromagnet-Spulen hin- und herbewegt wird.On So there is a particular disadvantage of the prior art in that the two operating cases "free flight" and "full stroke" with respect to the duration cannot be continuously converted into one another. The temporal difference between the maximum duration of a "free flight" and the minimum The duration of a "full stroke" is at least from the sticking time, as described above. An essential task in controlling the movement of an armature in a so-called electromagnetic However, EVT valve train consists of the most accurate one possible Request corresponding continuous setting of each period, within which the armature between the two solenoid coils is moved back and forth.

In der deutschen Patentanmeldung DE 102 05 389.8 ist ein Verfahren offenbart, das hier durch die Einführung eines weiteren Betriebszustandes Abhilfe schafft: In einem sog. "Pseudo-Freiflug"-Betrieb wird der Anker eines Aktuators knapp über der Polfläche eines jeweils fangenden Elektromagneten in der Schwebe gehalten. Wie bei dem Fangvorgang in bekannter Form nähert sich bei diesem "Pseudo-Freiflug" der Anker einem der beiden Elektromagnete. Dieser fangende Elektromagnet wird nun aber unter stetem Reglereingriff derart bestromt, dass der Anker knapp über dem Joch bzw. der Polfläche des Elektromagneten in der Schwebe bleibt. Dort verweilt der Anker so lange, bis eine Bestromung nach einer prinzipiell frei wählbaren Zeit in die andere Richtung eingeleitet oder abgeschaltet wird. Da hierbei ein Kontakt zwischen Anker und Joch gezielt vermieden wird, kann keine Klebzeit auftreten. Dieser Zustand wird durch eine entsprechende geregelte Bestromung mindestens des fangenden Elektromagneten realisiert, so dass nunmehr auch Schaltzeiten eingestellt werden können, die länger als die längste "Freiflug"-Schaltzeit und kürzer als die kürzeste in dem "Vollhub"-Betrieb einstellbare Schaltzeit sind. Es wird also durch Vermeidung jeder Anlage des Ankers an einer Polfläche das Auftreten einer Klebzeit vermieden, so dass durch den "Pseudo-Freiflug" als neuen Betriebszustand in einem elektromagnetischen Ventiltrieb eine kontinuierliche Einstellung bzw. Einregelung beliebiger Schaltzeiten ohne Sprung ermöglicht wird. Eine zusätzliche Abbremsung kann der Bewegungszyklus im Betriebsmodus "Pseudo-Freiflug" noch dadurch erhalten, dass der Elektromagnet, der dem Anker in einem Umkehrpunkt am nächsten liegt, zum Aufbau eines Magnetfeldes bestromt wird.In the German patent application DE 102 05 389.8 A method is disclosed which remedies this by introducing a further operating state: In a so-called "pseudo free flight" operation, the armature of an actuator is held in suspension just above the pole face of a respective electromagnet that catches it. As with the catching process in known form, the armature approaches one of the two electromagnets in this "pseudo free flight". This catching electromagnet is now energized under constant control intervention in such a way that the armature remains in suspension just above the yoke or the pole face of the electromagnet. The armature remains there until an energization is initiated or switched off in the other direction after a time which can in principle be freely selected. Since contact between anchor and yoke is avoided in this way, no sticking time can occur. This state is realized by a corresponding regulated energization of at least the catching electromagnet, so that switching times can now also be set which are longer than the longest "free flight" switching time and shorter than the shortest switching time that can be set in "full-stroke" operation. Avoiding any attachment of the armature to a pole face prevents the occurrence of a sticking time, so that the "pseudo free flight" as a new operating state in an electromagnetic valve train enables a continuous setting or adjustment of any switching times without a jump. The movement cycle in the "pseudo free flight" operating mode can also be braked further by energizing the electromagnet which is closest to the armature at a reversal point in order to build up a magnetic field.

Ein regelnder Eingriff in den Bewegungsablauf des Ankers des Aktuators ist nur in einem Bereich der Endphase der jeweiligen Bewegung möglich, also nur jeweils relativ kurz vor Erreichen eines Totpunktes, der mit oder ohne Aufsetzen des Ankers auf einer jeweiligen Polfläche des jeweils bestromten Elektromagneten realisiert werden kann. Jedem regelnden Eingriff zur Verbesserung bzw. Kontrollierung und Steuerung der sog. Endphasenbewegung kurz vor einem möglichen Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche der den Anker einfangenden Elektromagnet-Spule liegt eine möglichst genaue Kenntnis der Größen Hub, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers zugrunde. Eine für die Regelung ausreichend genaue und schnelle Messung der Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ankers ist i.d.R. nicht möglich, da ein Ausgangssignal eines Hubsensors stark verrauscht und/oder durch zusätzliche äußere Störungen verfälscht ist. Zudem ist das Ausgangssignal des Hubsensors mit einem Offset-Anteil beaufschlagt, der je Aktuator variiert. Damit ist auch eine absolute Messung eines aktuellen Hubes als Grundlage für ein Regelungsverfahren allein i.d.R. nicht ausreichend zuverlässig, wobei an die Güte eines Sensorausgangssignals für den Ankerhub beim "Pseudo-Freiflug"-Betrieb noch höhere Anforderungen als beim "Freiflug"-Betrieb gestellt werden. Bei Volllastbetrieb und hohen Drehzahlen wird zudem sowohl bei Regelungseingriff über Strommessung, als auch bei Spannungsstellung eine gewisse Ansprechzeit des Aktuators benötigt, die sich den vorstehend beschriebenen Effekten ungenau bekannter Bewegungsparameter des Ankers mit negativem Einfluss auf die Regelungsgenauigkeit und das Folgeverhalten des Aktuators addiert.On regulating intervention in the movement of the armature of the actuator is only possible in one area of the final phase of the respective movement only relatively shortly before reaching a dead center, the with or without placing the armature on a respective pole face of the each energized electromagnet can be realized. Each regulatory intervention to improve or control and control the so-called final phase movement shortly before the anchor can possibly be touched down on the pole face the electromagnetic coil capturing the armature is as close as possible precise knowledge of the stroke sizes, Speed and acceleration of the anchor. One sufficient for the scheme accurate and fast measurement of the variables speed and acceleration the anchor is usually not possible, because an output signal of a stroke sensor is very noisy and / or is falsified by additional external disturbances. In addition, the output signal of the stroke sensor has an offset component acted on, which varies per actuator. This is also an absolute Measurement of a current stroke as the basis for a control procedure alone i.d.R. not sufficiently reliable, being goodness a sensor output signal for the anchor stroke in "pseudo free flight" mode is even higher than in "free flight" mode. At full load operation and high speeds, control intervention via current measurement, as well as a certain response time of the actuator when the voltage is set needed who are less familiar with the effects described above Movement parameters of the armature with a negative influence on the control accuracy and the subsequent behavior of the actuator is added.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bewegungssteuerung und eine dementsprechende Vorrichtung zur verbesserten Einstellung einer in einem weiten Bereich beliebig einstellbaren Periodendauer zu verbessern.It is therefore the object of the present invention, a method for motion control and a corresponding device for improved setting of any in a wide range adjustable period to improve.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale derjeweiligen unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.The The object is achieved by the Characteristics of each independent Expectations 1 and 10 solved. Advantageous further developments are characterized in the respective subclaims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass die Regelung unter Berücksichtigung der Änderung der Richtung des magnetischen Flusses im Anker durchgeführt wird. Die Änderung der Richtung des magnetischen Flusses wird vorteilhafterweise durch ein Umpolen der zugehörigen Elektromagnet-Spulen in den einzelnen Bewegungsphasen erreicht. Die sich bei den verschiedenen Betriebszuständen eines Aktuators ergebenden Möglichkeiten sind in den Abbildungen der beigefügten Zeichnung skizziert und werden nachfolgend unter Bezug auf Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.On inventive method is characterized by the fact that the regulation under consideration of change the direction of the magnetic flux in the armature. The change the direction of the magnetic flux is advantageously by a polarity reversal of the associated Electromagnet coil achieved in the individual movement phases. The different ones operating conditions possibilities resulting from an actuator are outlined in the figures of the attached drawing and are described below with reference to embodiments of the invention described in more detail.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird alternativ oder zusätzlich zu der Änderung der Richtung des magnetischen Flusses im Anker die Regelung des Aktuators auch unter Berücksichtigung der Änderung des Flusses in den bereffenden Joch-Partien durchgeführt.In a further development of the invention, al Alternatively or in addition to the change in the direction of the magnetic flux in the armature, the control of the actuator is also carried out taking into account the change in the flux in the area of the yoke.

In geeigneter Weise angepasste Regelungen können hier durch den Fachmann beispielsweise basierend auf den in 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. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind ein Regler und eine vorgegebene Solltrajektorie. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve des Ankers im Bereich einer der Polflächen der beiden Elektromagnet-Spulen.Appropriately adapted regulations can be made here by the person skilled in the art, for example on the basis of the disclosures in the publications EP 0 973 178 A2 . DE 198 34 548 A1 and DE 100 12 988 A1 presented methods and control procedures are used. The essential elements of such a regulation are a controller and a predetermined target trajectory. The term "trajectory" is known to the person skilled in control technology and describes a trajectory of an object to be moved controlled by a controller in a state space, in the present case an actuator, that is, the trajectory of the armature in the region of one of the pole faces of the two electromagnetic coils.

Bevorzugt enthält dabei diese Soll-Trajektorie über bzw. in Abhängigkeit von der Zeit Werte für die Position des Ankers, die auch als Wegkoordinaten bezeichnet werden. Weiter sind Werte für die Geschwindigkeit des Ankers und für dessen Beschleunigung angegeben. Es handelt sich in einem Fall also quasi um eine einfache Wertetabelle, die in einer Ausführungsform der Erfindung fest vorgegeben in einem geeigneten Steuergerät abgelegt ist. Eine rechnerische Anpassung an einen individuellen Fall ist in einer Weiterbildung vorgesehen, beispielsweise zum Erreichen einer zeitlichen Dehnung der Sollkurven mindestens in Teilbereichen, um die Dauer eines Pseudo-Schwebezustandes einstellen zu können. In einer anderen, hier nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die Soll-Trajektorie der Aktuatoren in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen jeweils individuell berechnet.Prefers contains doing this target trajectory over or depending of time values for that Position of the anchor, which are also called path coordinates. Next are values for the speed of the anchor and its acceleration. So in one case it is a simple table of values, which in one embodiment stored according to the invention in a suitable control device is. A mathematical adjustment to an individual case is provided in a training, for example to achieve a temporal expansion of the target curves at least in some areas, to be able to set the duration of a pseudo floating state. In a another embodiment of the invention, not shown here the target trajectory of the actuators depending on current boundary conditions each calculated individually.

Zudem arbeitet ein Regler in einer Ausführungsform der Erfindung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren unter Berücksichtigung auftretender Wirbelströme und in einer Weiterbildung der Erfindung auch unter Verwendung eines Zustandsschätzers. So kann unter insgesamt verbesserter Regelungsgenauigkeit durch ein erfindungsgemäßes Verfahren auch ein schneller Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsmodi unter Berücksichtigung deren jeweiligen Besonderheiten realisiert werden.moreover operates a controller in one embodiment of the invention a method according to the invention considering eddy currents occurring and in a further development of the invention also using a State estimator. So under overall improved control accuracy an inventive method also a quick change between the individual operating modes consideration their respective peculiarities are realized.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:A embodiment the invention is described below with reference to the drawing. The drawing shows:

1: eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen Aktuators in einer geöffneten Endlage in dem Betriebsmodus "Vollhub"; 1 : a schematic representation of a known electromagnetic actuator in an open end position in the operating mode "full stroke";

2: eine Darstellung des Aktuators von 1 in einer geschlossenen Endlage; 2 : a representation of the actuator of 1 in a closed end position;

3: eine Darstellung zeitlicher Verläufe des Ankerhubs in den Betriebszuständen "beschleunigter Freiflug", "Freiflug", "Pseudo-Freiflug" und "Vollhub"; 3 : a representation of temporal courses of the anchor stroke in the operating states "accelerated free flight", "free flight", "pseudo free flight" and "full stroke";

4: eine skizzierte Darstellung einer Hysteresekurve mit Neukurve eines ferromagnetischen Materials; 4 : a sketched representation of a hysteresis curve with a new curve of a ferromagnetic material;

5a, 5b: eine Darstellung eines Regelungsverfahrens für den "Vollhub"-Betriebsmodus; 5a . 5b : a representation of a control method for the "full stroke" operating mode;

6a bis 6d: eine Darstellung eines alternativen Verfahrens zur Regelung des "Vollhub"-Betriebsmodus; 6a to 6d : an illustration of an alternative method for controlling the "full stroke" operating mode;

7a bis 7c: eine Darstellung eines Regelungsverfahrens für den "beschleunigten Freiflug"-Betriebsmodus; 7a to 7c : an illustration of a control method for the "accelerated free flight" mode of operation;

8a bis 8c: eine Darstellung eines Regelungsverfahrens für den "Freiflug"- und/oder den "Pseudo-Freiflug"-Betriebsmodus; 8a to 8c : an illustration of a control procedure for the "free flight" and / or the "pseudo free flight" operating mode;

9a bis 9c: eine Darstellung eines Regelungsverfahrens für einen "beschleunigten Freiflug"-Betriebsmodus mit alternativer Bestromung und 9a to 9c : a representation of a control method for an "accelerated free flight" operating mode with alternative energization and

10a bis 10c: eine Darstellung eines Regelungsverfahrens für den "Freiflug" und/oder den "Pseudo-Freiflug"-Betriebsmodus mit ebenfalls alternativer Bestromung. 10a to 10c : a representation of a control method for the "free flight" and / or the "pseudo free flight" operating mode with also alternative current supply.

In der Skizze von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles 3 und des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben, das Hubventil 3 ist hier maximal geöffnet worden. Zum Überführen des Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf seinen Ventilsitz 6 bewegt.In the sketch by 1 is an actuator 1 known design shown, the valve stem 2 an associated globe valve 3 drives. 1 shows one of the two possible end positions of the globe valve with the open end position 3 and the actuator 1 , In this position there is a valve disk 5 from a valve seat 6 lifted off, the lift valve 3 has been opened here at most. For transferring the globe valve 3 the valve disc is in a closed position 5 towards its valve seat 6 emotional.

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 Anker 4 des Aktuators 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen kann. Für die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen auf den Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 einwirkenden Stößel 10, der den Anker 4 trägt und über den der Anker 4 zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf den Ventilteller 5 des Hubventils 3. An dem Ende des Stößels 10, das dem Ventilschaft 2 des Hubventiles 3 abgewandt ist, greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an, die in der dargestellten geöffneten Endstellung weniger gespannt ist als in der nachfolgend beschriebenen Position.As usual, this lift valve is used 3 a valve closing spring 7 on. The valve closing spring 7 is however dimensioned so that it is the globe valve 3 and with it the anchor 4 of the actuator 1 can only move back to a neutral position. For the further movement of the valve plate 5 on the valve seat 6 the actuator becomes the drive 1 needed. The actuator 1 includes two solenoid coils 8th . 9 one on the valve stem 2 of the globe valve 3 acting plunger 10 that the anchor 4 carries and over which the anchor 4 between the elec tromagnet coils 8th . 9 is guided oscillating longitudinally. For driving the globe valve 3 pushes the plunger 10 of the actuator 1 over the valve stem 2 on the valve plate 5 of the globe valve 3 , At the end of the ram 10 that the valve stem 2 of the globe valve 3 a valve opening spring also engages 11 which is less tensioned in the open end position shown than in the position described below.

Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich um ein schwingungsfähiges mechanisches System, für das die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 gegenüber dem Anker 4 als Masse eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder bilden. Je nach Federkraft kann in dieser Ausführungsform eine Feineinstellung über eine Länge Δl im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im Folgenden auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner geöffneten Position hält.The arrangement shown is an oscillatory mechanical system for which the valve closing spring 7 and the valve opening spring 11 towards the anchor 4 form a mass as a first and a second return spring. In this embodiment, depending on the spring force, a fine adjustment can be made over a length Δl in the region of the valve opening spring 11 be made. The stroke valve is in the illustrated end position of this oscillatory system 3 fully opened, and the anchor 4 is on the lower solenoid coil 8th in the following also as a break coil 8th is referred to after this coil 8th the lift valve 3 holds in its open position.

In einer in der Abbildung von 2 dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einem Pol 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an, die im Folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen Position hält. Die vorstehende Beschreibung bezieht sich also auf den Betriebszustand "Vollhub", in dem der Anker 4 des Aktuators 1 in jeder der Endlagen an den Polflächen 12, 13 der Elektromagnet-Spulen 8, 9 anliegt.In one in the figure from 2 The second end position of the oscillatory system shown is the lift valve 3 completely closed, and the anchor 4 of the actuator 1 lies on a pole 13 the upper electromagnet coil 9 , which is also referred to below as a make coil 9 is referred to after this coil 9 the lift valve 3 holds in its closed position. The above description thus relates to the "full stroke" operating state in which the armature 4 of the actuator 1 in each of the end positions on the pole faces 12 . 13 the solenoid coils 8th . 9 is applied.

Beim Durchlaufen einer halben Periode einer Oszillationsbewegung des Ankers 4 im Betriebsmodus "Vollhub" nähert sich der Anker 4 im sog. Fangvorgang einem der beiden Elektromagneten 8, 9 auf einer Bewegungskurve, die durch anfängliche Beschleunigung und Abbremsung mit ihren näherungsweise parabelförmigen Teilverläufen insgesamt ungefähr S-förmig ist, siehe Kurve D in der Abbildung von 3. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule 8 wird derart bestromt, dass der Anker 4 die Polfläche 12 erreicht, zu einem Zeitpunkt aufsetzt und dort verweilt. Die Verweilphase dauert so lange, bis ein Ablösen des Ankers 8 von der Polfläche 12 durch ein geeignetes Bestromen der entsprechenden Spule z.B. durch Unterbrechung des Stromes oder Stromumkehr zu einem Einleitungszeitpunkt eingeleitet wird. Das Ablösen des Ankers 4 geschieht in der Regel erst zu einem Lösezeitpunkt t_e und damit zeitlich verzögert gegenüber dem Einleitungszeitpunkt mit dem Beginn einer veränderten Bestromung der Spule 8. Diese Zeitverzögerung wird Klebzeit t_K genannt und weist einen in der Regel für jeden Aktuator 1 individuellen und auch veränderlichen Wert auf. Trotz dieser regelungstechnisch unbefriedigenden Eigenschaft wird der „Vollhub"-Betriebsmodus u.a. zur Sensorkalibrierung außerhalb schaltzeit-kritischer Betriebszustände vorteilhaft eingesetzt.When going through half a period of an oscillating movement of the armature 4 in the "full stroke" operating mode, the armature approaches 4 in the so-called catching process one of the two electromagnets 8th . 9 on a movement curve which is approximately S-shaped overall due to the initial acceleration and deceleration with its approximately parabolic partial courses, see curve D in the illustration from 3 , The coil belonging to this electromagnet 8th is energized in such a way that the anchor 4 the pole face 12 reached, touched down at a time and lingered there. The dwell phase lasts until the anchor is detached 8th from the pole face 12 is initiated by suitably energizing the corresponding coil, for example by interrupting the current or reversing the current at an initiation time. Detaching the anchor 4 usually occurs only at a loosening time t _e and thus with a time delay compared to the initiation time with the beginning of a changed energization of the coil 8th , This time delay is called the sticking time t _K and usually has one for each actuator 1 individual and also variable value. Despite this property, which is unsatisfactory in terms of control technology, the “full-stroke” operating mode is advantageously used, inter alia, for sensor calibration outside of operating times critical to switching times.

Bei dem Betriebsmodus "beschleunigter Freiflug", Kurve A in 3, wird dagegen in einer Ausführungsform auf eine Bestromung der fangenden Elektromagnet-Spule 8 verzichtet, wenn sich der Anker 4 der Polfläche 12 nähert. Der Anker 4 setzt daher nicht auf, sondern er ändert seine Richtung in einem Abstand Δz von einer Endlage z_e entfernt sofort und fliegt zurück, also noch bevor er die Polfläche 12 erreicht. Die Dauer einer Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 besteht also beim "beschleunigten Freiflug" lediglich aus der Zeit, die der Anker 4 benötigt, eine um Δz verminderte Strecke von einem Joch zum gegenüberliegenden und wieder zurück zu durchfliegen. Bei einer Abfolge von zwei Fangvorgängen und einer dazwischen liegenden freien Flugstrecke des Ankers 4 kommt mindestens noch die Klebzeit t_K hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder auf der Polfläche 13 eines Jochs 14 vom Schließer-Magneten 9 aufsetzt. Mit dem "beschleunigten Freiflug" lässt sich eine sehr kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 erzielen, da in einer Öffnungsstellung bzw. oberen Totpunkt die Klebzeit t_K als additive Verzögerung nicht fest einstellbarer Größe nicht auftritt. Die kurze Abfolge aus Hin- und Rückflug des Ankers 4 wird jedoch damit erkauft, dass das Hubventil 3 um ein Maß Δz vermindert geöffnet wird. Es ist damit aus strömungstechnischen Gründen mit einer beeinträchtigten Ventilfunktion mindestens in dem Fall zu rechnen, dass Zykluszeiten oder Ventilöffnungszeiten Δt realisiert werden sollen, die klein gegenüber einer für eine volle Öffnung des Hubventils 3 notwendigen Zeit sind. Um in dem Betriebsmodus "Freiflug" realisierbaren Ventilöffnungszeiten Δt über einen möglichst weiten Bereich auszudehnen wird das Maß Δz einer verminderten Öffnung des Hubventils 3 im Einzelfall auch fast zu Null gewählt.In the operating mode "accelerated free flight", curve A in 3 , in contrast, in one embodiment, energization of the catching electromagnetic coil 8th waived when the anchor 4 the pole face 12 approaches. The anchor 4 therefore does not touch down, but changes its direction immediately at a distance Δz from an end position z _e and flies back, i.e. before it reaches the pole face 12 reached. The duration of a sequence of the anchor's return flight 4 So in "accelerated free flight" consists only of the time that the anchor 4 needed to fly a distance reduced by Δz from one yoke to the opposite and back again. With a sequence of two catches and an intermediate free flight distance of the anchor 4 there is at least the adhesive time t _K when the anchor 4 finally back on the pole face 13 of a yoke 14 from the closer magnet 9 touches down. With the "accelerated free flight" a very short sequence of outward and return flights of the anchor can be made 4 achieve, since in an open position or top dead center, the glue time t _K does not occur as an additive delay of a variable which cannot be fixed. The short sequence of the anchor's return flight 4 However, it is bought with the lifting valve 3 opened by a dimension Δz reduced. For fluidic reasons, an impaired valve function can be expected at least in the event that cycle times or valve opening times Δt are to be realized which are small compared to one for a full opening of the globe valve 3 are necessary time. In order to extend valve opening times Δt that can be achieved in the “free flight” operating mode, the dimension Δz of a reduced opening of the globe valve becomes 3 in individual cases also chosen almost to zero.

Auch ist eine Verlängerung einer Schaltzeit von Δt_A auf Δt_B möglich, wie anhand der Streckung der Kurve A hin zur Kurve B in der Abbildung von 3 angedeutet ist. Ein Regler arbeitet in einer Ausführungsform derart mit der Auslösung einer Bestromung der fangenden Spule 8 auch im Freiflug-Betriebsfall, dass der Anker 4 in einem Bereich vor dem jeweiligen Totpunkt seiner Bewegung, also im Bereich der Hub-Koordinate z = z_z und z · = 0, mindestens eine starke, der bisherigen Bewegung gleichgerichtete Beschleunigung erfährt. Zur Bündelung oder Fokussierung des magnetischen Flusses Φ ist ein Joch 14 des Aktuators 1 sowie der Anker 4 aus ferromagnetischen Materialien hergestellt, wobei zur Minderung von Ummagnetisierungsverlusten innerhalb dieses Eisenkreises weichmagnetische Materialien eingesetzt werden. Im Gegensatz zu hartmagnetischen Materialien können weichmagnetische Materialien jedoch durch ein magnetisches Feld nie abgestoßen, sondern stets nur angezogen werden. Zur Verlängerung der Schaltzeit im "Freiflug"- Betriebsmodus des Aktuators 1 wird daher die im Zuge eines Ventil-Öffnungsvorganges fangende Elektromagnet-Spule 8 derart bestromt, dass der Anker 4 nach einer bereits erkennbar abgebremst verlaufenden Startphase auch die Bewegungsendphase im Bereich ihres oberen Totpunktes aufgrund der Anziehung durch die Elektromagnet-Spule 8 verzögert durchläuft.It is also possible to extend a switching time from Δt _A to Δt _B , as shown by the extension of curve A to curve B in the illustration from 3 is indicated. In one embodiment, a controller works with the triggering of a current supply to the catching coil 8th even in free flight operation that the anchor 4 in an area before the respective dead center of its movement, that is to say in the area of the stroke coordinate z = z _z and z · = 0, experiences at least one strong acceleration which is the same as the previous movement. There is a yoke for bundling or focusing the magnetic flux. 14 of the actuator 1 as well as the anchor 4 made of ferromagnetic materials, with soft magnetic materials to reduce magnetization losses within this iron circle lien be used. In contrast to hard magnetic materials, soft magnetic materials can never be repelled by a magnetic field, but can only be attracted. To extend the switching time in the "free flight" operating mode of the actuator 1 is therefore the electromagnetic coil catching in the course of a valve opening process 8th so energized that the anchor 4 after a start phase that is already slowed down, the movement end phase in the area of its top dead center due to the attraction by the electromagnet coil 8th passes with a delay.

Ein Anhaften des Ankers 4 an einer Polfläche wird dabei weiterhin vermieden, die Ventilöffnungszeit Δt_B kann jedoch zeitlich über ein gewisses Grenz-Maß hinaus in dem Betriebsmodus "Freiflug" nicht weiter gesteigert werden.Anchoring of the anchor 4 At a pole face, this continues to be avoided, but the valve opening time Δt _B cannot be increased further in time in the “free flight” operating mode beyond a certain limit dimension.

Um die beiden Betriebsfälle "Freiflug" und "Vollhub" bezüglich der zeitlichen Dauer stetig ineinander überführen zu können und dementsprechend im Wesentlichen frei einstellbare Schaltzeiten bzw. Ventilöffnungszeiten realisieren zu können, wird durch die Patentanmeldung DE 102 05 389.8 ein sogenannter "Pseudo-Freiflug" eingeführt. In diesem besonderen Betriebszustand wird der Anker 4 in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer der Polflächen 12, 13 in einem geringem Abstand Δz in Schwebe gehalten. Eine entsprechende Öffnungskurve C des Ventils 3 ist in der Abbildung von 3 exemplarisch mit dargestellt. Wie beim Fangvorgang nähert sich der Anker 4 beim "Pseudo-Freiflug"-Betrieb einem der beiden Elektromagnete 8, 9. Dieser wird derart bestromt, dass der Anker 4 knapp über dem jeweiligen Joch in der Schwebe bleibt und dort so lange verweilt, bis eine Bestromung in die andere Richtung eingeleitet wird. Da hierbei ein Kontakt zwischen Anker 4 und Joch vermieden wird, tritt hier keine Klebzeit auf. Ferner kann eine Zeitspanne T, in der der Anker 4 von einem durch das Erreichen eines voreingestellten Zwischenwertes z_z der Wegkoordinate z gekennzeichneten Anfangszeitpunkt t_a bis zu einer bestimmten Endzeit t_e in der Schwebe gehalten wird, in einem weiten Bereich frei gewählt . werden. Der Zustand des "Pseudo-Freiflugs" kann damit frei zur Einstellung kontinuierlicher Schaltzeiten Δt aus dem Bereich des echten "Freiflugs" bis hin in Schaltzeiten genutzt werden, die bislang nur im "Vollhub"-Betrieb einstellbar waren. Vorteilhafterweise wird damit der eigentliche "Vollhub"-Betrieb in einem Schaltzeitkritischen Bereich umgangen, so dass auch zahlreiche im "Vollhub"-Betrieb auftretende Probleme umgangen werden, wie z.B. die durch die Klebzeit hervorgerufene Schaltverzögerung sowie eine Geräuschbelastung und durch kontinuierliches Aufschlagen des Ankers 4 an den Polen 12, 13 der Elektromagneten 8, 9 verursachter Verschleiß. Die zugehörige Öffnungszeit Δt_C ist von einer einstellbaren Schwebezeit T in einem weiten Bereich zwischen einer Anfangszeit t_a und einer Endezeit t_e über die Regelung einstellbar und daher als Δt_C(T) bezeichnet worden.In order to be able to continuously convert the two operating cases "free flight" and "full stroke" into one another with regard to the duration, and accordingly to be able to implement essentially freely adjustable switching times or valve opening times, the patent application DE 102 05 389.8 a so-called "pseudo free flight" was introduced. The anchor is in this special operating state 4 in the immediate vicinity of one of the pole faces 12 . 13 kept in suspension at a short distance Δz. A corresponding opening curve C of the valve 3 is in the picture of 3 shown as an example. As with the catching process, the anchor approaches 4 during "pseudo free flight" operation one of the two electromagnets 8th . 9 , This is energized in such a way that the anchor 4 remains in suspension just above the respective yoke and remains there until current is applied in the other direction. Because there is contact between the anchors 4 and yoke is avoided, there is no sticking time here. Furthermore, a time period T in which the anchor 4 from a starting point in time t _a characterized by reaching a preset intermediate value z _{z of} the path coordinate z to a certain ending time t _e , is freely selected in a wide range. become. The state of the "pseudo free flight" can thus be freely used to set continuous switching times Δt from the range of the real "free flight" to switching times that could previously only be set in "full stroke" operation. Advantageously, the actual "full stroke" operation in a switching time-critical area is thus avoided, so that numerous problems occurring in "full stroke" operation are avoided, such as the switching delay caused by the sticking time, as well as a noise load and by continuous opening of the armature 4 at the poles 12 . 13 the electromagnet 8th . 9 wear caused. The associated opening time .DELTA.t _C is adjustable from an adjustable floating time T in a wide range between a starting time t _a and an ending time t _e via the control and has therefore been referred to as .DELTA.t _C (T).

Ein voreingestellter Zwischenwert z_z der Wegkoordinate z des Hubventils 3 ist nach strömungstechnischen Gesichtspunkten für jede Bauform eines Hubventils einem Anwendungsfall angepasst auszuwählen. Der Zwischenwert z_z entspricht hier einer eventuell nicht ganz geöffneten Stellung des Hubventils 3, oder in einem nicht dargestellten Anwendungsfall einer nicht ganz geschlossenen Stellung. Dementsprechend ist ein Differenzmaß Δz als Differenzwert zu einer maximalen Öffnungsstellung z_e oder Schließstellung z₀ des Hubventils 3, bezogen auf einen jeden Anwendungsfall, neu festzulegen.A preset intermediate value z _{z of} the path coordinate z of the globe valve 3 is to be selected according to the fluidic aspects for each type of globe valve and adapted to an application. The intermediate value z _z corresponds here to a position of the globe valve that may not be fully open 3 , or a not fully closed position in an application case not shown. Accordingly, a difference dimension Δz is the difference value to a maximum opening position z _e or closing position z _{0 of} the globe valve 3 , to be redefined for each application.

Die Einhaltung und Einregelung des Zwischenwertes z_z hat mit entsprechender Genauigkeit zu erfolgen, da Abweichungen von einem vorgegebenen Wert unmittelbar in die Schaltzeiten Δt eingehen und dort unerwünschte Abweichungen hervorrufen. Ein Regler arbeitet in einer Ausführungsform der DE 102 05 389.8 zur Verbesserung der Hubwerte unter Berücksichtigung auftretender Wirbelströme unter Verwendung eines Zustandsschätzers.Adherence to and adjustment of the intermediate value z _z has to be carried out with corresponding accuracy, since deviations from a predetermined value are directly involved in the switching times Δt and cause undesired deviations there. A controller operates in one embodiment of the DE 102 05 389.8 to improve the stroke values taking eddy currents into account using a condition estimator.

Ein großer Nachteil des bisherigen Standes der Technik besteht jedoch in der Regelungsgenauigkeit des beschriebenen Systems in allen vorstehend genannten Betriebsfällen, wobei auch ein Folgeverhalten des Aktuators gegenüber einer jeweiligen Reglervorgabe zu verbessern ist. Hierzu wird ein Regelungsverfahren eingesetzt, das diese Regelungsaufgabe unter Berücksichtigung der Änderung der Richtung des magnetischen Flusses im Anker gelöst wird. Die magnetische Eigenschaft wesentlicher Teile eines Aktuators 1 rückt hierbei ins Zentrum der Betrachtung: In der Darstellung von 4 ist eine Magnetisierungskurve skizziert. Je nach verwendetem Material im Joch 14 und im Anker 4 ergeben sich deutlich Unterschiede in der Magnetisierungskurve. Bei paramagnetischen Materialien wird eine relativ lineare Kurve erhalten. Es bleibt nur eine geringe Restfeldstärke M_R bestehen. Die zugehörige Kurve spannt dementsprechend nur eine sehr kleine Fläche auf. Im Idealfall ist die Magnetisierungskurve reversibel, verläuft also deckungsgleich mit der Primär- oder Neukurve P durch den ersten und dritten Quadranten. Ferromagnetische Materialien, die in einem Aktuator 1 eine wesentlichen Einfluss auf das Gesamtverhalten ausüben, zeigen dagegen eine deutliche Hysteresekurve. Es gibt eine Sättigungsfeldstärke M_S, über die die Magnetisierung nicht hinausgeht, da dann alle homogen magnetisierten Domären bzw. Weiß'schen Bezirke innerhalb des Materials in die selbe Richtung orientiert sind. Um das Umklappen der Weiß'schen Bezirke durch ein äußeres Magnetfeld zu bewirken, ist eine recht hohe Restfeldstarke M_R bzw. Remanenz zu überwinden. Erst wenn das erregende Feld seine Richtung schon umgekehrt und die sogenannte Koerzitivfeldstärke H_C erreicht hat, dann ist die resultierende Feldstärke an ihren Nullpunkt gelangt. Hierdurch wird eine Zeitverzögerung in der Reaktion des Ankers 4 auf einen Regelungseingriff und damit eine Verschiebung der Auswirkung eines jeden Korrektureingriffs auf den Anker 4 und seine tatsächliche Bewegung und die diese Bewegung zugrunde liegenden Zustandsparameter z, a und v verursacht.A major disadvantage of the prior art to date, however, is the control accuracy of the system described in all of the above-mentioned operating cases, and a subsequent behavior of the actuator in relation to a particular controller specification must also be improved. For this purpose, a control method is used that solves this control task taking into account the change in the direction of the magnetic flux in the armature. The magnetic property of essential parts of an actuator 1 moves into the center of the consideration: In the representation of 4 a magnetization curve is sketched. Depending on the material used in the yoke 14 and in the anchor 4 there are significant differences in the magnetization curve. A relatively linear curve is obtained for paramagnetic materials. Only a small residual field strength M _R remains. Accordingly, the corresponding curve spans only a very small area. In the ideal case, the magnetization curve is reversible, ie it is congruent with the primary or new curve P through the first and third quadrants. Ferromagnetic materials in an actuator 1 exert a significant influence on the overall behavior, on the other hand, show a clear hysteresis curve. There is a saturation field strength M _S , beyond which the magnetization does not go, since then all homogeneously magnetized domains or Weiss domains within the material are oriented in the same direction. In order to bring about the folding over of the Weiss areas by an external magnetic field, the residual field strength is quite high M _R or remanence to be overcome. Only when the exciting field has reversed its direction and has reached the so-called coercive field strength H _C , then the resulting field strength has reached its zero point. This will cause a time delay in the armature's response 4 on a regulatory intervention and thus a shift in the impact of any correction intervention on the anchor 4 and its actual movement and the state parameters z, a and v on which this movement is based.

Zur Minderung dieses Effektes wird die beschriebene magnetische Eigenschaft in der Bestimmung einer jeweiligen Regelungsgröße berücksichtigt. Primär wird hierbei die Materialeigenschaft des Ankers 4 dahingehend berücksichtigt, dass aufgrund der magnetischen Remanenz des Ankers 4 eine volle Ausnutzung der möglichen Bandbreite für die Magnetkraft F_mag nicht möglich ist: Theoretisch wäre eine Bandbreite 0 = F_min ≤ F_mag ≤ F_max nutzbar, praktisch ergibt sich durch Remanenz jedoch eine Einschränkung der Bandbreite auf 0 < F_max ≤ F_mag ≤ F_max. Der Grund dafür, dass die Stellreserve des Aktuators 1 nicht voll ausgenutzt werden kann liegt darin begründet, dass der Strom 1 nach dem Stand der Technik lediglich abgeschalten und eben nicht umgepolt eingespeist wird.To reduce this effect, the magnetic property described is taken into account when determining a respective control variable. The material property of the anchor becomes primary here 4 taken into account that due to the magnetic remanence of the armature 4 full utilization of the possible bandwidth for the magnetic force F _{mag is} not possible: In theory, a bandwidth 0 = F _min ≤ F _mag ≤ F _{max can be} used, in practice, however, the bandwidth is limited to 0 <F _max ≤ F _mag ≤ due to remanence F _max . The reason that the actuator's reserve 1 cannot be fully exploited is due to the fact that the electricity 1 according to the state of the art, it is simply switched off and the polarity is not reversed.

Eine Umpolung der Richtung des magnetischen Flusses Φ im Anker 4 wird in bestimmten Phasen eines Bewegungsablaufes des Ankers 4 je Betriebsmodus des Aktuators 1 gezielt bewirkt. Beispiele sind in den Abbildungsfolgen der 5 bis 10 skizziert:
Die Abbildungsfolge der 5a, 5b zeigt anhand eines vergrößerten Ausschnittes des Aktuators 1 einen halben Zyklus der Bewegung des Aktuators 1 von 1 in einem Vollhub-Betrieb. Nach dem Lösen des Ankers 4 von dem vordem fangenden Elektromagneten 9 wird der magnetische Fluss Φ im Anker 4 im Übergang von 5a hin auf 5b im Zuge eines erneut ablaufenden Fangvorgangs durch den nun fangenden Elektromagneten 8 umgepolt. Dies ist durch eine geschlossen in ihrem Verlauf skizzierte Magnetfeldlinie mit Orientierungspfeil in den Figuren angedeutet. Eine jeweils folgende Bewegungsrichtung des Ankers 4 ist ebenfalls durch einen Pfeil kenntlich gemacht. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht ein Durchlauf einer Ventilöffnungsphase auch einem Zyklus der magnetischen Orientierung innerhalb der jeweilig beteiligten Elemente des Magnetkreises.A polarity reversal of the direction of the magnetic flux Φ in the armature 4 is in certain phases of a movement sequence of the anchor 4 depending on the operating mode of the actuator 1 targeted effect. Examples are in the sequences of illustrations of the 5 to 10 outlined:
The sequence of illustrations of the 5a . 5b shows an enlarged section of the actuator 1 half a cycle of movement of the actuator 1 of 1 in a full-stroke operation. After releasing the anchor 4 from the previous catching electromagnet 9 the magnetic flux Φ in the anchor 4 in the transition from 5a towards 5b in the course of a new catching process by the now catching electromagnet 8th reversed. This is indicated by a closed magnetic field line with an orientation arrow in the figures. A following direction of movement of the armature 4 is also identified by an arrow. In this exemplary embodiment, a passage through a valve opening phase also corresponds to a cycle of magnetic orientation within the elements of the magnetic circuit involved in each case.

Im Unterschied zu der Bestromung der 5a, 5b ist in der Figurenfolge der 6a bis 6d bei einem Übergang von einem geschlossenen Zustand in eine geöffnete Stellung des durch den Aktuator 1 angetriebenen Hubventils 3 keine Umpolung des magnetischen Flusses Φ im Anker 4 vorgesehen. Stattdessen besteht dieser Steuerzyklus hinsichtlich der jeweiligen Orientierungen des Magentischen Flusses Φ aus zwei vollständigen Ventilhüben, da sich in der zeichnerisch angedeuteten Weise jeweils die Orientierung des Flusses Φ im Anker 4 ändert.In contrast to the energization of the 5a . 5b is in the sequence of figures 6a to 6d in the case of a transition from a closed state to an open position by the actuator 1 driven lift valve 3 no polarity reversal of the magnetic flux Φ in the armature 4 intended. Instead, this control cycle with regard to the respective orientations of the magnetic flow Φ consists of two complete valve strokes, since the orientation of the flow Φ is in the anchor in the manner indicated in the drawing 4 changes.

Ferner wird in der Ausführungsform nach 6a bis 6d auch das Joch 14 mit seinen magnetischen Eigenschaften mit in die Betrachtung zur Berechung einer Regelgröße zusätzlich mit einbezogen. Von dem Zustand in 6a hin zur 6c wird der Fluss Φ im Joch 14 umgepolt, wie er auch im Übergang von 6b hin auf den Zustand in 6d umgepolt wird.Furthermore, in the embodiment according to 6a to 6d also the yoke 14 with its magnetic properties also included in the consideration for calculating a controlled variable. From the state in 6a towards 6c the river Φ in the yoke 14 reversed the polarity, as he also in the transition from 6b towards the state in 6d is reversed.

In der Abbildungsform der 7a bis 7c ist in entsprechender Weise ein „beschleunigter Freiflug"-Betrieb nach Kurve A von 3 mit der jeweiligen Orientierung des Flusses Φ skizziert. In den 8a bis 8c ist analog der Fall eines "Freifluges" und/oder "Pseudo-Freiflug"-Betriebs nach Kurven B und C von 3 zur Darstellung der hier jeweils regelungsrelevanten Änderungen des Orientierung des Flusses Φ in Anker 4 und Joch 14 dargestellt.In the illustration form of the 7a to 7c is correspondingly an "accelerated free flight" operation according to curve A of 3 outlined with the respective orientation of the river Φ. In the 8a to 8c is analogously the case of a "free flight" and / or "pseudo free flight" operation according to curves B and C of 3 to represent the relevant changes in the orientation of the river Φ in anchor here 4 and yoke 14 shown.

Die Darstellung der Bewegungsabläufe der 8a bis 8c ist analog der in den 6a bis 6d dargestellten gestaltet, jedoch ohne ein Aufsetzen des Ankers 4 auf dem Joch 14 bzw. der Polfläche 12. In den Figurenfolgen der 7a bis 7c und 8a bis 8c wird erst nach dem Durchlaufen von zwei Öffnungszyklen des Ventils 3 im Aktuator bzw. dem Joch 14 und dem Anker 4 eine jeweilige Ausgangssituation hinsichtlich einer Orientierung des magnetischen Flusses Φ wieder erreicht.The representation of the movements of the 8a to 8c is analogous to that in the 6a to 6d shown designed, but without attaching the anchor 4 on the yoke 14 or the pole face 12 , In the series of figures of 7a to 7c and 8a to 8c only after two opening cycles of the valve 3 in the actuator or yoke 14 and the anchor 4 a respective starting situation with regard to an orientation of the magnetic flux Φ is reached again.

Eine der Situation von Figurenfolge 5a, 5b vergleichbare Magnetisierungssituation ist in den Figurenfolgen 9a bis 9c und 10a bis 10c jeweils dargestellt. Hier stimmt dann ein Ventilöffnungszyklus wieder mit einem vollständigen Ummagnetisierungszyklus in den Betriebsfällen „beschleunigter Freiflug"-Betrieb einerseits und "Freifluges" und "Pseudo-Freiflug"-Betrieb andererseits überein. Damit findet innerhalb eines geschlossenen Bewegungszyklus gemäß der Abbildungsfolge der 9a bis 9c keine Änderung der Orientierung des magnetischen Flusses Φ im Joch 14 oder im Anker 4 statt. Dieser fehlende Mehraufwand an Ummagnetisierungsarbeit geht zur Bestimmung einer Regelungskurve bzw. Sollkurve mit in die Regelung ein. Die Darstellung der Bewegungsabläufe der 10a bis 10c ist analog der in den 5a und 5b dargestellten Abfolge gestaltet, jedoch wiederum ohne ein Aufsetzen des Ankers 4 auf dem Joch 14 bzw. der Polfläche 12. Hierin ändert sich nun nur noch die Orientierung des magnetischen Flusses Φ im Anker 4, während im Joch 14 eine Orientierung des magnetischen Flusses Φ unter Bestromung jeweils beibehalten bleibt.One of the situation of sequence of figures 5a . 5b comparable magnetization situation is in the figure sequences 9a to 9c and 10a to 10c each shown. Here, a valve opening cycle then again coincides with a complete magnetic reversal cycle in the "accelerated free flight" operation on the one hand and "free flight" and "pseudo free flight" operation on the other hand 9a to 9c no change in the orientation of the magnetic flux Φ in the yoke 14 or in the anchor 4 instead of. This lack of additional outlay on remagnetization work is included in the control for determining a control curve or target curve. The representation of the movements of the 10a to 10c is analogous to that in the 5a and 5b shown sequence designed, but again without attaching the anchor 4 on the yoke 14 or the pole face 12 , This only changes the orientation of the magnetic flux Φ in the armature 4 while in the yoke 14 an orientation of the magnetic flux Φ is maintained when energized.

Den vorstehend genannten Anforderungen entsprechend sind in einer derartigen Vorrichtung geeignete Regler vorgesehen. In einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung arbeitet ein Regler mit einer vorgegebene Solltrajektorie z(t), die eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum beschreibt. Hier wird also die Bahnkurve z(t) des Ankers 4 des Aktuators 1 zwischen den beiden Polflächen 12, 13 der Elektromagnet-Spulen 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 v und Beschleunigung a des Ankers 4 in Abhängigkeit von der Zeit t 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, wie z.B. Fertigungstoleranzen, werden durch die Vorgabe von jeweiligen Randbedingungen jeweils eingerechnet.Suitable controllers are provided in such a device in accordance with the requirements mentioned above. In an embodiment of the invention, not shown, a controller works with a predetermined target trajectory z (t), which describes a trajectory of an object to be moved in a state space controlled by a controller. So here is the path curve z (t) of the anchor 4 of the actuator 1 between the two pole faces 12 . 13 the solenoid coils 8th . 9 as a function of time as values for the position of the armature or as pairs of values for path and time coordinates as well as information for speed v and acceleration a of the armature 4 given as a function of time t. It is therefore a simple multi-dimensional table of values, which is stored in a suitable control device or is calculated in real time during the movement. Individual deviations, such as manufacturing tolerances, are taken into account by specifying the respective boundary conditions.

Damit ist aber nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals eine insgesamt weitestgehend freie Einstellung kontinuierlicher Schaltzeiten bzw. Ventilöffnungszeiten Δt ohne Sprung und sicherer Funktion des Hubventils 3 bei verbesserter Regelungsgenauigkeit und besserem Folgeverhalten realisiert worden.However, according to a method according to the invention, this is for the first time an overall largely free adjustment of continuous switching times or valve opening times Δt without a jump and reliable function of the globe valve 3 with improved control accuracy and better follow-up behavior.

11: Aktuatoractuator
22: Ventilschaftvalve stem
33: Hubventilglobe valve
44: Ankeranchor
55: Ventiltellervalve disc
66: Ventilsitzvalve seat
77: VentilschließfederValve closing spring
88th: Elektromagnet-SpuleSolenoid coil
99: Elektromagnet-SpuleSolenoid coil
1010: Stößeltappet
1111: Ventil-ÖffnungsfederValve-opening spring
1212: Polflächepole
1313: Polflächepole
1414: Jochyoke
a_u a _u: Beschleunigung im Umkehrpunktacceleration at the turning point
HH: Magnetfeldmagnetic field
II: Stromelectricity
MM: Magnetisierungmagnetization
PP: NeukurveNew curve
tt: Zeittime
t_a t _a: Anfangszeit der Schwebezeit TStart time the floating time T
t_e t _e: Endzeit der Schwebezeit TEnd Time the floating time T
t_k t _k: Klebzeitsticking time
Δt.delta.t: Schaltzeitspanne / Periodendauer jeweils der Kurven A bis DSwitching period / Periods of curves A to D
TT: einstellbare Zeitspanne eines Schwebens im „Pseudo-Freiflug"-Betriebadjustable Period of hover in "pseudo free flight" mode
UU: Spannungtension
zz: Wegkoordinate des Ankers 4 Path coordinate of the anchor 4
z(t)z (t): Solltrajektorietarget trajectory
z₀ z ₀: Startwert (Schließstellung)start value (Closed position)
z_e z _e: Endwert / maximale Öffnungsstellungfull scale / maximum opening position
z_z z _z: Zwischenwert (u.a. im Pseudo-Freiflug)intermediate value (e.g. in pseudo free flight)
ΔzAz: Differenzwert zur maximalen Öffnungdifference value for maximum opening
ΦΦ: magnetischer Flussmagnetic flow

Claims

Method of controlling the movement of an anchor ( 4 ) of an electromagnetic actuator ( 1 ), especially for actuating a gas exchange valve ( 3 ) an internal combustion engine for a motor vehicle, the armature ( 4 ) oscillating between pole faces ( 12 . 13 ) two solenoid coils ( 8th . 9 ) against the force of at least one return spring ( 7 . 11 ) by alternating energization of the electromagnetic coils ( 8th . 9 ) is moved, characterized in that the control taking into account the change in the direction of the magnetic flux (Φ) in the armature ( 4 ) is carried out.

A method according to claim 1, characterized in that the change in the direction of the magnetic flux (Φ) by reversing the polarity of the associated electromagnetic coils ( 8th . 9 ) is achieved in the individual movement phases.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that alternatively or in addition to the change in the direction of the magnetic flux (Φ) in the armature ( 4 ) the control of the actuator ( 1 ) also taking into account the river (Φ) in the relevant yoke sections ( 14 ) is carried out.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that influencing the direction of the magnetic flux (Φ) in the relevant yoke portions ( 14 ) of the actuator ( 1 ) by energizing at least one correspondingly associated electromagnetic coil ( 8th . 9 ) is carried out when the anchor ( 1 ) outside the close range of the coil in question ( 8th . 9 ) is located.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a on the anchor ( 4 ) influence that is otherwise undesirable is essentially negligible or can be included in the control of the overall system using a simple linear model.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that a delay free Switching between the different operating modes is carried out.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the regulation via a corresponding energization of the respective electromagnet ( 8th . 9 ) is implemented.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a controller according to an embodiment of the invention a method according to the invention considering eddy currents occurring is working.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a controller works using a state estimator.

Device for controlling the movement of an axially between pole faces ( 12 . 13 ) of two electromagnets ( 8th . 9 ) movably arranged anchor ( 4 ) in an electromagnetic actuator ( 1 ), which is used in particular to drive a globe valve ( 3 ) is formed, characterized in that the device for carrying out a method is designed according to one or more of the preceding claims.