DE10325706B4

DE10325706B4 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE10325706B4
Application number: DE10325706A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Reif; Martin Lamprecht; Heiko Stolz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-06-07
Also published as: DE10325706A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1) während einer Startphase, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug während eines Anlassvorgangs, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch Bestromung mindestens einer der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Erreichen der Endlage eine Regelung verwendet wird, die der Situation eines nicht kalibrierten Hubsensors dahingehend in besonderer Weise angepasst ist, dass eine Regelung Einsatz findet, die nur die Geschwindigkeit (v) entlang einer Sollkurve nachführt.

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 Bestromung mindestens einer 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 Hubventiles im wesentlichen frei gewählt werden kann. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen jeweils durch Drehzahl und Last definierten aktuellen Betriebszustand sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges angepasst werden.
Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen 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 verwiesen, 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 für den Betrieb im Vollhub beispielsweise in der DE 195 30 121 A1 offenbart, die jedoch nur zu Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung sowie den Aktuatorverschleiß Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator vorschlägt. Dabei wird 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, 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" und basieren auf einer möglichst genauen Bestimmung der Position des Ankers bei seiner Annäherung an die Polfläche. Hierzu ist in dem Aktuator ein Hubsensor vorgesehen.

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.

Der Nachteil des zitierten Standes der Technik besteht darin, dass ein Hub-Sensor im Aktuator vor dem ersten Erreichen der Endlage nicht kalibriert ist. Der zu Beginn unbestromte Aktuator befindet sich beim Einschalten in einer neutralen Ruheposition, in welcher der Anker durch zwei Rückstellfedern ungefähr in der Mitte zwischen zwei Elektromagnet-Polflächen gehalten ist. Materialabweichungen, unterschiedliche Federkonstanten, Verschmutzungen und/oder Verschleiß bewirken jedoch, dass sich diese Neutrallage des Ankers nicht direkt in der Position des halben Vollhubes zwischen den Elektromagnet-Polflächen befindet. Damit ist die Position des Ankers und mithin auch ein aktueller Hubwert nur in grober Näherung bekannt. Die Regelung nach der Lehre der EP 0 973 178 A2 u.a. setzt jedoch ein genaues Hubsignal voraus. Daher sind diese Lehren direkt beim Start des Motors nicht einsetzbar. Es ergeben sich durch die fehlende Kalibrierung hohe Abweichungen des gemessenen Hubsignals des Ankers von einer tatsächlichen Ankerposition. Durch diese Ungenauigkeit wird mindestens bei Ansteuerung im Vollhub-Modus im Umkehrbereich ein hartes Aufsetzen oder Anschlagen des Ankers hervorgerufen, das u.a. ein als störend empfundenes Klack-Geräusch beim Starten des Motors erzeugt. Ferner erhöht dieses Verhalten den Verschleiß im Aktuator.

Unabhängig von einem beim Motorstart jeweils vorliegenden Betriebsfall erreicht der Anker eine Polfläche eines Elektromagneten im unkalibrierten Zustand des Hubsensors nicht zu einer vorgesehenen Zeit und/oder nicht mit den erwünschten Bewegungsparametern. Eine zu hohe Endgeschwindigkeit und/oder eine hohe negative Beschleunigung beim Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche können zu einem Prellen führen. Dadurch kann das Hubventil selber ebenfalls eine Pendelbewegung um eine erwünschte End- bzw. Öffnungsstellung herum ausführen, so dass über eine Öffnungszeit gesehen auch eine vorgeschriebene Öffnungsweite des Ventils nicht erreicht wird. Bei erhöhten elektrischen Verlusten und einer gegenüber einem Sollzustand erhöhten elektrischen Leistungsaufnahme des Aktuators macht sich auch eine Ungenauigkeit bei der Einstellung einer Schaltzeit und einer effektiven Öffnungsweite des Hubventils sehr nachteilig bemerkbar. Mit der möglichst genauen Einstellung einer jeweiligen Schaltzeit und Öffnungsweite werden somit wesentliche Aufgabe bei der Steuerung der Bewegung eines Ankers in einem s.g. elektromagnetischen Ventiltrieb EVT nicht zufriedenstellend erfüllt.

Nach der DE 198 51 679 C1 wird im Startfall das Anschwingen der Gaswechselventile mit möglichst niedriger Stromstärke vorgenommen. Gemäß der DE 101 06 156 A1 werden die Gaswechselventile nacheinander in Betrieb genommen.

Es ist 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 6 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 vor dem ersten Erreichen der Endlage eine Regelung verwendet wird, die der Situation eines nicht kalibrierten Hubsensors in besonderer Weise angepaßt ist.

In einer ersten Ausführungsform findet eine Regelung Einsatz, die nur die Geschwindigkeit v entlang einer Sollkurve nachführt, jedoch nicht den Hub z. Diese Regelung bewirkt, dass die Größe des Hubes in der Regelung intern im Wesentlichen gehalten wird und insbesondere nicht wegläuft.

Ferner kann eine Abweichung der Geschwindigkeit v vom Sollwert v_soll nach der Vorschrift y · = ν – νsoll aufintegriert werden und eine Regelung auf der Basis einer neuen Regelgröße y durchgeführt werden.

Sehr vorteilhaft kann auch eine optimale Regelung bei quadratischem Gütekriterium als spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik eingesetzt werden. Speziell kann eine lineare Regelung mit quadratischem Güteindex eingesetzt werden, auch als LQ-optimalen Regelung bezeichnet, siehe E. Sontag, Mathematical Control Theory, Springer Verlag, New York, 1998.

Weiter kann auch ein H₂-Regler Verwendung finden, zur Referenz siehe z.B. Chiang, Safonov, Robust Control Toolbox User's Guide, The Mathworks, Natick, 1992.

Die vorstehenden Lösungen bewirken jede für sich ein im Vergleich zum Stand der Technik leises Aufsetzen des Ankers und des Ventiles auch ohne Sensorkalibrie rung, weil die Geschwindigkeit im Umkehrbereich, d.h. im Bereich des Totpunktes, geregelt wird. Vorteilhafterweise sind diese Lösungen zur Regelung einer ersten Endlage auch in Kombination miteinander einsetzbar.

Damit ergibt sich aus einem erfindungsgemäßen Ansatz als ein unmittelbarer Vorteil also, dass ein Energieaufwand im Vergleich zum Stand der Technik geringer ist, da die Regelung über eine angepasste Geschwindigkeit auch geringere Stromflüsse durch die Spulen der Elektromagneten erfordert. Ferner sind auch zeitlich nachfolgende Regelvorgänge geringer, da ein Prellen und/oder Überschwingen des Ankers oder des Ventils im Wesentlichen nicht mehr auftreten.

Schließlich erfolgt in der ersten Endlage eine Kalibrierung des Hubsensors und ein stufenloser Übergang zu einem anderen Regelungsverfahren. So werden die Sollbahnen der Regelungsgrößen um die erste Endlage herum wesentlich besser eingehalten, als dies nach dem Stand der Technik möglich war. Dadurch vermindern sich die Reglereingriffe in Anzahl, Dauer und/oder Stärke, so dass bei Energieeinsparung u.a. auch ein Schwingen des Ankers oder Ventils um die Bahn der Soll-Trajektorie herum weitgehend ausgeschlossen werden kann.

Um die Vorrichtung im Weiteren 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.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: einen bekannten elektromagnetischen Aktuator mit Hubventil in einer geöffneten Endlage;
2: die Anordnung von 1 in einer geschlossenen Endlage;
3: die Anordnung der 1 und 2 in einem Ausgangszustand beim Motorstart und
4: beispielhafte Hubverläufe beim Start aus dem Bereich einer unkalibrierten Mittellage heraus.
In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventiles 3 und des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben, das Hubventil 3 ist hier maximal geöffnet worden. Zum Überführen des Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf einen Ventilsitz 6 bewegt, wie durch den Pfeil P angedeutet ist.
Wie üblich greift an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch nur 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 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 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. Der Pfeil P deutet eine nun anschließende Schließbewegung an. Dazu wird der Stößel 10 durch den starr angebundenen Anker 4 von der Endlage z_e hin zu der zweiten Endlage z_o bewegt.
In der in 2 dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einer Polfläche 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an. Sie wird im folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen Position hält. Durch einen geteilten Aufbau mit einer Trennung zwischen dem eigentlichen Aktuator 1 mit dem Stößel 10 und dem Hubventil 3 mit dem Schaft 2 ist ein Abstand L zwischen dem Ventilteller 5 und dem Anker 4 gegenüber der geschlossenen Endlage um ein Maß vs vergrößert worden, das Ventilspiel genannt wird. Aufgabe des Ventilspiels vs ist es, die aufgrund von thermischen Effekten, Verschmutzung oder Verschleiß auftretenden Längenänderungen in der Anordnung aus Aktuator 1 und Hubventil 3 und die innerhalb einer Baureihe auftretenden Bauteiltoleranzen gleichermaßen auszugleichen. Durch das Ventilspiel vs soll sichergestellt werden, dass in dem Fall eines an dem Joch 13 des Elektromagneten 9 anliegenden Ankers 4 das Ventil 3 in jedem Fall sicher geschlossen ist.
Bei dieser Bauart läuft dann auch das Öffnen und Schließen des Ventils 3 und die Bewegung des Aktuators 1 phasenweise getrennt voneinander ab: Beim Öffnungsvorgang löst sich der Anker 4 des Aktuators 1 in einem ersten Bewegungsabschnitt P₁ von dem Joch 13 des Spule 9 und trifft erst nach Überwindung des Ventilspiels vs über den Stößel 10 auf den Ventilschaft 2. Ab diesem Moment beginnt erst die Öffnungsbewegung des Ventils 3, Pfeil P₂. In parallelen Anmeldungen wurden die Probleme einer genauen Einstellung und Regelung einer Schaltzeit des Ventils 3 eingehend behandelt, auch unter Berücksichtigung der sehr variablen Größe des Ventilspiels vs. Daher wird an dieser Stelle nicht weiter auf diese Thematik eingegangen. Festzustellen bleibt jedoch, dass eine ausreichend genaue Kenntnis aller Abmessungen innerhalb des Aktuators 1 und des Hubventils 3 eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Regelung darstellen.
Die vorstehende Beschreibung eines Bewegungsablaufes 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 4 mit einer Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des Ankerhubs für den Fall eines Vollhubs als Kurve V skizziert. Die zu diesem Elektromagneten gehörende Spule wird derart bestromt, dass der Anker 4 das Joch erreicht, 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 erst zeitlich um eine sog. Klebzeit verzögert zu einem Einleitungszeitpunkt mit dem Beginn einer veränderten Bestromung der Spule, was hier nicht dargestellt ist.
Beim Betriebsmodus "Freiflug" wird auf eine Bestromung der jeweils fangenden Elektromagnet-Spule 8, 9 verzichtet, wenn sich der Anker 4 dem Joch nähert. Der Anker 4 setzt daher nicht auf, sondern er ändert seine Richtung in einem Abstand Δz von einer Endlage z_e entfernt und fliegt zurück noch bevor er das Joch erreicht, siehe Kurve F nach 4. 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 Zykluszeiten realisiert werden sollen, die klein gegenüber einer für eine volle Öffnung des Hubventils 3 notwendigen Zeit 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 hinzu, wenn der Anker 4 schließlich wieder auf der Polfläche aufsetzt.
Ein großer Nachteil des bisherigen Standes der Technik besteht jedoch darin, dass die Regelungsgenauigkeit in jedem Betriebsfall auf der möglichst genauen Kenntnis u.a. auch der aktuellen Hubposition des Ankers 4 aufbaut, wie bereits vorstehend erwähnt. Beim Einschalten einer Aktuator-Ventil-Einheit z.B. beim Motorstart befindet sich der Hubsensor vor dem ersten Erreichen der Endlage in einem unkalibrierten Zustand. Der Anker 4 des zu Beginn unbestromten Aktuators 1 befindet sich beim Einschalten in einer neutralen Ruheposition. Hier ist der Anker 4 durch die zwei Rückstellfedern 7, 11 nur sehr ungefähr in der Mitte zwischen zwei Elektromagnet-Polflächen gehalten. Materialabweichungen, leicht unterschiedliche Federkonstanten der Rückstellfedern 7, 11, Verschmutzungen und/oder Verschleiß im Aktuator 1 und/oder dem Ventil 3 bewirken jedoch, dass sich diese Neutrallage des Ankers 4 nicht direkt in der Position des halben Vollhubes z_e/2 zwischen den Elektromagnet-Polflächen 12, 13 befindet. Damit ist die Position des Ankers 4 und mithin auch ein aktueller Hubwert z nur in grober Näherung bekannt und ist daher in 4 als schraffierter Bereich dargestellt, in dem ein Startpunkt des ersten Bewegungszyklus auch im Vollhub nach Kurve V liegt. Die Lage des Ankers 4 in der Startsituation ist in 3 dargestellt. In diesem relativ undefinierten oder nur unklar erkennbaren Zustand ist auch das Hubventil 3 teilweise geöffnet.
Die Regelung nach der Lehre der EP 0 973 178 A2 u.a. setzt ein genaues Hubsignal voraus. Daher sind diese Lehren direkt beim Start des Motors nicht einsetzbar. Es ergeben sich durch die fehlende Kalibrierung hohe Abweichungen des gemessenen Hubsignals z des Ankers 4 von einer tatsächlichen Ankerposition z(t). Durch diese Ungenauigkeit wird mindestens bei Ansteuerung des Aktuators 1 im Vollhub- Modus im Umkehrbereich ein hartes Aufsetzen oder Anschlagen des Ankers hervorgerufen, siehe in 4 Kurve h im Vergleich zu einem erwünschten Verlauf w mit wesentlich weicherem Aufsetzen, d.h. Geschwindigkeit v ≈ 0. In der Hubposition z = z_e weist die Kurve h noch eine sehr große negative Steigung auf, d.h. die Geschwindigkeit im Zeitpunkt des Aufsetzens auf der Polfläche ist sehr hoch. Es ist vielmehr von einem Aufschlagen zu sprechen, das u.a. ein als störend empfundenes Klack-Geräusch beim Starten des Motors erzeugt. Ferner erhöht dieses Verhalten den Verschleiß im Aktuator.
Unabhängig von einem beim Motorstart jeweils vorliegenden Betriebsfall erreicht der Anker 4 eine Polfläche 12, 13 eines Elektromagneten 8, 9 im unkalibrierten Zustand des Hubsensors nicht zu einer vorgesehenen Zeit und/oder nicht mit den erwünschten Bewegungsparametern. Eine zu hohe Endgeschwindigkeit v und/oder eine hohe negative Beschleunigung beim Aufsetzen des Ankers 4 auf der Polfläche 12, 13 können zu einem Prellen führen. Dadurch kann. das Hubventil 3 selber ebenfalls eine Pendelbewegung um eine erwünschte End- bzw. Öffnungsstellung herum ausführen, so dass über eine Öffnungszeit gesehen auch eine vorgeschriebene Öffnungsweite des Ventils 3 nicht erreicht wird. Bei erhöhten elektrischen Verlusten und einer gegenüber einem Sollzustand erhöhten elektrischen Leistungsaufnahme des Aktuators 1 macht sich auch eine Ungenauigkeit bei der Einstellung einer Schaltzeit und einer effektiven Öffnungsweite des Hubventils 3 sehr nachteilig bemerkbar. Mit der möglichst genauen Einstellung einer jeweiligen Schaltzeit und Öffnungsweite werden somit wesentliche Aufgaben bei der Steuerung der Bewegung eines Ankers 1 in einem sog. elektromagnetischen Ventiltrieb EVT nicht zufriedenstellend erfüllt, wie anhand der Zeitpunkte t_A gegenüber t_A1 und t_A2 in 4 angedeutet ist.
Für den Betriebsmodus „Freiflug" bedeutet die fehlende Kalibrierung des Hubsensors, dass im Bereich der Endphase des ersten Bewegungszyklus, also kurz vor dem Erreichen eines Totpunktes ohne Anschlagen des Ankers 4 an der Polfläche 12 des Elektromagneten 8, ein maximal erreichter Hub z(t) = z₁ zu gering ist, um eine zuverlässige Kalibrierung zu ermöglichen. Damit würde dann eine verbesserte Regelung zur genaueren Einstellung der Bewegungsparameter Hub, Geschwindig keit und Beschleunigung in diesem Betriebsfall erst noch weiter zeitlich versetzt eingreifen.
Zur Verbesserung der vorstehend beschriebenen Situation wird ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung vorgeschlagen, in der ein der Situation eines nicht kalibrierten Hubsensors in besonderer Weise angepasster Regler verwendet wird. Anstatt mit einem zu ungenauen Schätzwert für den Hub in der Mittellage auszugehen wird nunmehr die Ungenauigkeit dieses Startwertes berücksichtigt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel findet dementsprechend eine Regelung Einsatz, die nur die Geschwindigkeit entlang einer Sollkurve nachführt, jedoch nicht den Hub z. Diese Regelung bewirkt, dass die Größe des Hubes in der Regelung intern im Wesentlichen gehalten wird und insbesondere nicht wegläuft.
Auf diesem Ansatz aufbauend wird ferner eine Abweichung der Geschwindigkeit vom Sollwert v_soll nach der Vorschrift y · = ν – νsoll festgestellt und aufintegriert. Es wird dann eine Regelung auf der Basis der neuen Regelgröße y durchgeführt.
Als spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine optimale Regelung bei quadratischem Gütekriterium eingesetzt. Speziell wird eine lineare Regelung mit quadratischem Güteindex eingesetzt, auch als LQ-optimalen Regelung bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform findet ein H₂-Regler ebenfalls als spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik zur Regelung in der Startsituation einer Aktuator-Ventil-Einheit Verwendung.
Die vorstehenden Lösungen bewirken jede für sich ein im Vergleich zum Stand der Technik leises Aufsetzen des Ankers und des Ventiles auch ohne eine vorangehende Sensorkalibrierung, weil die Geschwindigkeit im Umkehrbereich, d.h. im Bereich des Totpunktes, geregelt ist. Diese Lösungen zur Regelung einer ersten Endlage sind auch in Kombination miteinander einsetzbar. Nach diesem Start-Zyklus sind alle vorstehend beschriebenen Regelungsansätze stetig in ein bekannte Regelung überführbar.

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
h: harter Anschlag
i: Spulenstrom
F: Freiflug
P, P₁, P₂: Pfeil einer jeweiligen Bewegungsrichtung
t: Zeit
t_A, t_A1, t_A2: Anschlagzeitpunkt
u: Spulenspannung
v: Geschwindigkeit
vs: Ventilspiel
V: Vollhub
w: weicher Anschlag
y: Regelgröße
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) während einer Startphase, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug während eines Anlassvorgangs, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch Bestromung mindestens einer der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Erreichen der Endlage eine Regelung verwendet wird, die der Situation eines nicht kalibrierten Hubsensors dahingehend in besonderer Weise angepasst ist, dass eine Regelung Einsatz findet, die nur die Geschwindigkeit (v) entlang einer Sollkurve nachführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung der Geschwindigkeit (v) von einem Sollwert (v_soll) nach der Vorschrift y · = ν – νsoll aufintegriert wird und eine Regelung auf der Basis einer neuen Regelgröße (y) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optimale Regelung bei quadratischem Gütekriterium als spezieller Ansatz aus der Regelungstechnik eingesetzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Regelung mit quadratischem Güteindex verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein H₂-Regler verwendet wird.
Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1) während einer Startphase, 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 Regler zum Umsetzung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 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.